[{"data":1,"prerenderedAt":706},["ShallowReactive",2],{"schematic:bss138-bidirectional-i2c-level-shifter:pt":3},{"schematic":4,"title":19,"shortDescription":22,"proseSource":664,"localizationFallbackIssues":665,"related":666,"confirmations":665},{"schemaVersion":5,"governance":6,"slug":18,"title":19,"cluster":20,"tier":21,"shortDescription":22,"deepTechnicalOverview":23,"theoryOfOperation":24,"keySpecifications":25,"applications":50,"gotchas":55,"formulas":74,"bom":160,"interactiveElements":198,"circuitJson":242,"svg":662,"relatedComponentSlugs":663},"1.0",{"publication":7,"verification":10,"provenance":15},{"status":8,"publishedDate":9},"published","2026-11-03",{"status":11,"verifiedDate":9,"verifiedBy":12,"checklist":13},"verified","Gemini (AI documentary, CAD and hardware-localization review against NXP Semiconductors Application Note AN10441 \u002F Philips Semiconductor AN97055 Rev. 01 June 2007; owner publication authorization; no bench, simulation, independent second review or native-speaker claim)",{"schema":14,"technicalFacts":14,"relationships":14,"sources":14},true,{"sourceUrls":16},[17],"https:\u002F\u002Fwww.nxp.com\u002Fdocs\u002Fen\u002Fapplication-note\u002FAN10441.pdf","bss138-bidirectional-i2c-level-shifter","Conversor de nível lógico bidirecional I2C de 3,3 V para 5 V com BSS138","microcontroller_interfaces","Tier 1","Tradutor de nível de tensão bidirecional para barramento I2C que conecta domínios lógicos de 3,3 V e 5 V utilizando dois MOSFETs de canal N onsemi BSS138 com resistores pull-up e desacoplamento de alimentação.","Este tradutor de nível lógico bidirecional implementa a topologia clássica da NXP Semiconductors AN10441 \u002F Philips Semiconductor AN97055 para translação bidirecional de barramento I2C entre um domínio de baixa tensão de 3,3 V (VDD1) e um domínio de alta tensão de 5,0 V (VDD2). O circuito opera as linhas de dados seriais (SDA) e de clock serial (SCL) por meio de dois MOSFETs discretos de enriquecimento de canal N (Q1 e Q2, onsemi BSS138 em encapsulamento SOT-23). As portas (gates) de ambos os MOSFETs são conectadas permanentemente ao barramento de menor tensão (+3,3 V), enquanto as fontes (sources) voltam-se para o lado de 3,3 V e os drenos para o lado de 5,0 V. Resistores pull-up discretos (R1 a R4, 10 kΩ 1%) polarizam cada linha ao seu respectivo barramento no estado ocioso. O circuito opera autonomamente em três estados sem necessidade de sinal de controle direcional: em repouso, ambos os lados permanecem em nível alto e VGS = 0 V mantém os transistores em corte; quando um dispositivo de 3,3 V comuta para nível baixo, VGS sobe para +3,3 V (superando a tensão de limiar de 1,5 V) e liga o transistor conduzindo a linha de 5 V para nível baixo; e quando um dispositivo de 5 V comuta para nível baixo, a corrente flui no sentido direto através do diodo intrínseco de substrato até que a tensão de fonte caia abaixo do limiar, ativando a condução total do canal para drenar o lado de 3,3 V para nível baixo de forma limpa. Capacitores cerâmicos de desacoplamento local C1 e C2 de 100 nF suprimem ondulações de alimentação durante transições de borda simultâneas.","### 1. Topologia do circuito e polarização de porta fixa\nO circuito opera como um tradutor de nível de tensão bidirecional de dois canais para o barramento serial I2C de dreno aberto, conectando uma seção de baixa tensão (VDD1 = +3,3 V) a uma seção de maior tensão (VDD2 = +5,0 V). Cada linha do barramento (SDA e SCL) utiliza um único MOSFET discreto de enriquecimento de canal N (Q1 para SDA, Q2 para SCL). As portas de ambos os MOSFETs são conectadas permanentemente à tensão de alimentação inferior VDD1 (+3,3 V). Os terminais de fonte conectam-se ao lado de 3,3 V e os drenos ao lado de 5,0 V. Os resistores pull-up R1 e R2 (10 kΩ) polarizam as linhas de 3,3 V em VDD1, enquanto R3 e R4 (10 kΩ) polarizam as linhas de 5,0 V em VDD2. Os capacitores de desacoplamento C1 e C2 (100 nF cerâmicos X7R) fornecem bypass de alta frequência e baixa impedância diretamente em cada domínio de alimentação.\n\n### 2. Estado 1: Repouso e barramento em alta impedância (ambos os lados em HIGH)\nQuando nenhum dispositivo do barramento (mestre ou escravo) transmite um nível baixo, as linhas de dreno aberto em ambas as seções são mantidas em nível alto por seus respectivos resistores pull-up: as linhas de 3,3 V ficam em +3,3 V e as de 5,0 V em +5,0 V. Para ambos os transistores Q1 e Q2, a porta está em +3,3 V e a fonte em +3,3 V, resultando em uma tensão porta-fonte exatamente nula ($V_{GS} = V_G - V_S = 3.3\\text{V} - 3.3\\text{V} = 0\\text{ V}$). Como $V_{GS}$ está bem abaixo da tensão de limiar ($V_{GS(th)} = 0.8\\dots 1.5\\text{ V}$), os MOSFETs permanecem totalmente em corte. A seção de maior tensão de 5,0 V fica completamente isolada da seção de 3,3 V, prevenindo sobretensões e correntes de fuga parasitas para os pinos do microcontrolador de 3,3 V.\n\n### 3. Estado 2: Dispositivo de baixa tensão comuta para nível baixo (translação LOW de 3,3 V para 5 V)\nQuando um dispositivo ativo na seção de 3,3 V comuta para nível lógico baixo, ele puxa a fonte do MOSFET em direção ao terra ($V_S \\approx 0\\text{ V}$). Como a porta permanece fixada em +3,3 V, a tensão porta-fonte sobe abruptamente para $V_{GS} = 3.3\\text{V} - 0\\text{V} = 3.3\\text{ V}$, muito acima da tensão de limiar máxima de 1,5 V. O MOSFET liga completamente, proporcionando um canal condutor de baixa resistência ($R_{DS(on)} \\le 6.0\\text{ }\\Omega$). A corrente proveniente do resistor pull-up de 5,0 V flui através do canal condutor para o terra através do driver de 3,3 V, conduzindo a linha de 5,0 V para o nível lógico baixo correspondente ($V_{OL2} = V_{OL1} + I_{pull-up} \\cdot R_{DS(on)} \\le 0.4\\text{ V}$).\n\n### 4. Estado 3: Dispositivo de alta tensão comuta para nível baixo (translação LOW de 5 V para 3,3 V)\nQuando um dispositivo ativo na seção de 5,0 V comuta para nível lógico baixo, ele puxa o dreno do MOSFET em direção ao terra. Inicialmente, o canal do MOSFET não conduz. No entanto, o diodo intrínseco de substrato do MOSFET de canal N tem seu anodo na fonte (lado de 3,3 V) e seu catodo no dreno (lado de 5,0 V). À medida que a tensão de dreno cai abaixo de aproximadamente 2,6 V, o diodo de substrato fica polarizado diretamente e começa a conduzir, rebaixando a tensão de fonte através de sua queda de tensão direta ($V_S = V_D + V_{SD} \\approx 0.7\\text{ V}$). Quando a tensão de fonte cai abaixo de $3.3\\text{V} - V_{GS(th)} \\approx 1.8\\text{ V}$, $V_{GS}$ supera a tensão de limiar e o canal de inversão liga. Uma vez conduzindo, o canal desvia da queda do diodo, puxando a linha de 3,3 V de forma limpa para um nível baixo real compatível com o driver de 5,0 V.\n\n### 5. Estado 4: Liberação do barramento e dinâmica de subida com pull-up passivo\nQuando o driver ativo em qualquer um dos lados libera o barramento, ambas as linhas começam a subir em direção aos seus respectivos trilhos de alimentação. Inicialmente, enquanto a tensão da linha for inferior a $V_{DD1} - V_{GS(th)}$, o MOSFET em condução mantém ambos os lados interligados, subindo em sincronia. Assim que a linha de menor tensão ultrapassa $V_{DD1} - V_{GS(th)} \\approx 1.8\\text{ V}$, $V_{GS}$ cai abaixo do limiar e o MOSFET desliga. A partir desse instante, as duas seções do barramento sobem de forma independente: a seção de 3,3 V carrega através de R1\u002FR2 com constante de tempo $\\tau_1 = R_p \\cdot C_{b1}$, e a seção de 5,0 V através de R3\u002FR4 com $\\tau_2 = R_p \\cdot C_{b2}$. Isso desacopla eletricamente a capacitância da linha de alta tensão da seção de baixa tensão, otimizando a integridade geral do sinal.",[26,29,32,35,38,41,44,47],{"label":27,"value":28},"Alimentação de baixa tensão (VDD1)","+3,3 V CC nominal (faixa operacional de +1,65 V a +3,6 V)",{"label":30,"value":31},"Alimentação de alta tensão (VDD2)","+5,0 V CC nominal (faixa operacional de +2,7 V a +5,5 V)",{"label":33,"value":34},"Protocolos de barramento compatíveis","I2C modo padrão (100 kHz), modo rápido (400 kHz), SMBus e 1-Wire",{"label":36,"value":37},"Resistores pull-up (R1, R2, R3, R4)","10 kΩ 1% padrão (reduzir para 2,2 kΩ para alta capacitância de barramento)",{"label":39,"value":40},"Resistência de condução MOSFET (RDS(on))","≤ 3,5 Ω em VGS = 10 V, ≤ 6,0 Ω em VGS = 4,5 V (onsemi BSS138)",{"label":42,"value":43},"Tensão de limiar de porta (VGS(th))","0,8 V mínimo a 1,5 V máximo (onsemi BSS138)",{"label":45,"value":46},"Desacoplamento de alimentação (C1, C2)","100 nF 25 V cerâmico MLCC X7R por domínio de alimentação",{"label":48,"value":49},"Tensão de saída em nível baixo (VOL)","≤ 0,40 V (em conformidade com a especificação I2C Fast-mode)",[51,52,53,54],"Interface entre microcontroladores de 3,3 V (ARM Cortex, ESP32, RP2040) e periféricos e sensores I2C de 5,0 V","Translação de nível lógico bidirecional de dreno aberto para barramentos SMBus, PMBus e 1-Wire","Circuito de translação fundamental para placas adaptadoras modulares (SparkFun BOB-12009, Adafruit 757, Pololu 2595)","Isolamento de barramento com referência galvânica comum prevenindo sobretensão de 5,0 V em silício de 3,3 V",[56,61,66,70],{"title":57,"trap":58,"solution":59,"severity":60},"Orientação invertida de fonte-dreno e condução do diodo de substrato","Conectar o dreno do MOSFET ao barramento de 3,3 V e a fonte ao de 5,0 V inverte o diodo intrínseco de substrato. O anodo do diodo (agora em 5 V) conduz diretamente de forma contínua para o trilho de 3,3 V, causando superaquecimento severo do transistor e alimentando reversamente o microcontrolador com sobretensão destrutiva.","Sempre conecte a fonte do MOSFET ao domínio de menor tensão (3,3 V) e o dreno ao de maior tensão (5,0 V). Certifique-se de que o catodo do diodo intrínseco esteja voltado para o lado de 5,0 V.","critical",{"title":62,"trap":63,"solution":64,"severity":65},"Capacitância excessiva no barramento e violação do tempo de subida","Resistores pull-up padrão de 10 kΩ formam um filtro passa-baixa RC com a capacitância parasita do barramento (trilhas, comprimento de cabos, pinos dos circuitos integrados). Quando a capacitância total ultrapassa 100 pF, o tempo de subida excede o limite de 300 ns exigido pelo padrão I2C Fast-mode (400 kHz), provocando erros de enquadramento e perda de bits de reconhecimento ACK.","Calcule a resistência pull-up utilizando a equação Rp \u003C= tr \u002F (0.8473 * Cb). Para operação em 400 kHz Fast-mode com múltiplos dispositivos, substitua os resistores de 10 kΩ por 2,2 kΩ ou 4,7 kΩ.","warning",{"title":67,"trap":68,"solution":69,"severity":60},"Excitação de porta insuficiente em níveis lógicos inferiores a 3,3 V","A tentativa de usar este circuito discreto com BSS138 em tensões ultrabaixas (1,8 V ou 1,2 V) falha porque a tensão de limiar VGS(th) do BSS138 pode atingir até 1,5 V. Com VDD1 = 1,8 V, a tensão de excitação efetiva (VGS - VGS(th)) é de apenas 0,3 V, resultando em alta resistência de condução (dezenas de ohms) e violando o limite VOL máximo de I2C (0,4 V).","Para translação de 1,8 V para 3,3 V ou 5,0 V, escolha MOSFETs específicos para níveis sublógicos com VGS(th) \u003C= 0,8 V garantido e baixo RDS(on) com gate em 1,8 V (como DMN2004K ou SSM3K339R), ou use circuitos integrados dedicados com auto-direcionamento (como TI TXS0102).",{"title":71,"trap":72,"solution":73,"severity":65},"Ausência de terra comum entre domínios de alimentação","Alimentar as seções de 3,3 V e 5,0 V a partir de fontes independentes sem interligar suas linhas de terra de 0 V (0V) permite flutuações de modo comum. Ruídos e deslocamentos de tensão de terra distorcem a tensão VGS efetiva, provocando travamento do barramento (latch-up), disparos falsos ou quebra dielétrica da porta.","Assegure um plano de retorno de terra sólido e de baixa impedância conectando os planos de referência de ambos os sistemas (3,3 V e 5,0 V) adjacente ao circuito conversor.",[75,95,118,140],{"name":76,"latexOrText":77,"description":78,"variables":79},"Resistor pull-up máximo para tempo de subida I2C","R_{p(max)} = \\frac{t_r}{0.8473 \\cdot C_b}","Calcula a resistência pull-up máxima admissível para satisfazer os requisitos de tempo de subida do barramento I2C (tr \u003C= 1000 ns para Standard-mode, tr \u003C= 300 ns para Fast-mode) com base na carga capacitiva Cb.",[80,85,90],{"symbol":81,"name":82,"typicalValue":83,"unit":84},"R_{p(max)}","Resistência pull-up máxima","3.54","kΩ",{"symbol":86,"name":87,"typicalValue":88,"unit":89},"t_r","Tempo de subida máximo admissível no barramento","300","ns",{"symbol":91,"name":92,"typicalValue":93,"unit":94},"C_b","Capacitância total do barramento por linha","100","pF",{"name":96,"latexOrText":97,"description":98,"variables":99},"Resistor pull-up mínimo por limite de drenagem de corrente","R_{p(min)} = \\frac{V_{DD} - V_{OL}}{I_{OL}}","Calcula o limite inferior da resistência pull-up para não ultrapassar a capacidade máxima de corrente do driver de dreno aberto (tipicamente 3 mA para dispositivos I2C Standard e Fast-mode).",[100,104,109,113],{"symbol":101,"name":102,"typicalValue":103,"unit":84},"R_{p(min)}","Resistência pull-up mínima","1.53",{"symbol":105,"name":106,"typicalValue":107,"unit":108},"V_{DD}","Tensão do barramento de alimentação","5.00","V",{"symbol":110,"name":111,"typicalValue":112,"unit":108},"V_{OL}","Tensão máxima de saída em nível baixo","0.40",{"symbol":114,"name":115,"typicalValue":116,"unit":117},"I_{OL}","Corrente máxima de dreno aberto suportada","3.00","mA",{"name":119,"latexOrText":120,"description":121,"variables":122},"Tensão de nível baixo na translação de alta para baixa tensão","V_{OL1} = V_{OL2} + I_{pull-up} \\cdot R_{DS(on)}","Calcula a tensão real de nível baixo aplicada ao lado de 3,3 V quando um dispositivo de 5 V drena a linha para o terra através do canal condutor do MOSFET.",[123,127,131,135],{"symbol":124,"name":125,"typicalValue":126,"unit":108},"V_{OL1}","Tensão de saída em nível baixo no lado de 3,3 V","0.12",{"symbol":128,"name":129,"typicalValue":130,"unit":108},"V_{OL2}","Tensão de nível baixo do driver no lado de 5,0 V","0.10",{"symbol":132,"name":133,"typicalValue":134,"unit":117},"I_{pull-up}","Corrente de pull-up pelo resistor de 3,3 V","0.32",{"symbol":136,"name":137,"typicalValue":138,"unit":139},"R_{DS(on)}","Resistência estática de condução do canal MOSFET","6.00","Ω",{"name":141,"latexOrText":142,"description":143,"variables":144},"Margem de tensão de excitação de porta","V_{GS(drive)} = V_{DD1} - V_{in(LV)} \\ge V_{GS(th)}","Quantifica a sobretensão porta-fonte disponível para acionar o canal do MOSFET quando o lado de baixa tensão comuta para o terra.",[145,149,152,156],{"symbol":146,"name":147,"typicalValue":148,"unit":108},"V_{GS(drive)}","Tensão de excitação porta-fonte disponível","3.30",{"symbol":150,"name":151,"typicalValue":148,"unit":108},"V_{DD1}","Barramento de alimentação de baixa tensão",{"symbol":153,"name":154,"typicalValue":155,"unit":108},"V_{in(LV)}","Nível de entrada em baixa tensão","0.00",{"symbol":157,"name":158,"typicalValue":159,"unit":108},"V_{GS(th)}","Tensão de limiar máxima do MOSFET","1.50",[161,170,173,180,183,186,189,195],{"refDes":162,"componentName":163,"value":164,"package":165,"quantity":166,"componentSlug":167,"role":168,"notes":169},"Q1","MOSFET de nível lógico de canal N","BSS138","SOT-23 (TO-236AB)",1,"bss138","Conversor de nível bidirecional SDA","onsemi BSS138; 50 V VDSS, 220 mA ID, RDS(on) \u003C= 3,5 Ω em 10 V, VGS(th) de 0,8 V a 1,5 V",{"refDes":171,"componentName":163,"value":164,"package":165,"quantity":166,"componentSlug":167,"role":172,"notes":169},"Q2","Conversor de nível bidirecional SCL",{"refDes":174,"componentName":175,"value":176,"package":177,"quantity":166,"role":178,"notes":179},"R1","Resistor chip SMD","10kΩ","0805 SMD","Resistor pull-up de 3,3 V para SDA","Yageo RC0805FR-0710KL; 10 kΩ 1% 1\u002F8 W filme espesso",{"refDes":181,"componentName":175,"value":176,"package":177,"quantity":166,"role":182,"notes":179},"R2","Resistor pull-up de 3,3 V para SCL",{"refDes":184,"componentName":175,"value":176,"package":177,"quantity":166,"role":185,"notes":179},"R3","Resistor pull-up de 5,0 V para SDA",{"refDes":187,"componentName":175,"value":176,"package":177,"quantity":166,"role":188,"notes":179},"R4","Resistor pull-up de 5,0 V para SCL",{"refDes":190,"componentName":191,"value":192,"package":177,"quantity":166,"role":193,"notes":194},"C1","Capacitor cerâmico multicamada","100nF","Capacitor de desacoplamento de alimentação de 3,3 V","Murata GRM21BR71E104KA01L; 100 nF 25 V X7R cerâmico 10%",{"refDes":196,"componentName":191,"value":192,"package":177,"quantity":166,"role":197,"notes":194},"C2","Capacitor de desacoplamento de alimentação de 5,0 V",{"Q1":199,"Q2":208,"R1":213,"R2":220,"R3":223,"R4":227,"C1":230,"C2":238},{"refDes":162,"name":200,"value":164,"role":201,"description":202,"componentSlug":167,"footprint":165,"specs":203},"MOSFET conversor de nível SDA","Chave bidirecional SDA","MOSFET de canal N de nível lógico interligando as linhas SDA de 3,3 V e 5,0 V com porta conectada a 3,3 V e fonte voltada para o lado de 3,3 V.",{"Tensão de ruptura dreno-fonte (BVDSS)":204,"Corrente contínua de dreno (ID)":205,"Resistência estática de condução (RDS(on))":206,"Tensão de limiar de porta (VGS(th))":207},"50 V","220 mA","≤ 3,5 Ω (10 V), ≤ 6,0 Ω (4,5 V)","0,8 V a 1,5 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