BSS138 ile 3.3V - 5V Çift Yönlü I2C Mantık Seviyesi Dönüştürücü

Devre, açık savak (open-drain) yapısındaki I2C seri veri yolu için iki kanallı çift yönlü gerilim seviye dönüştürücü olarak çalışır ve düşük gerilimli sistem bölümünü (VDD1 = +3.3 V) daha yüksek gerilimli bölümle (VDD2 = +5.0 V) birbirine bağlar. Her veri yolu hattı (SDA ve SCL) tek bir ayrık N-kanal zenginleştirilmiş MOSFET (SDA için Q1, SCL için Q2) kullanır. Her iki MOSFET'in kapı terminalleri kalıcı olarak düşük besleme gerilimi VDD1'e (+3.3 V) bağlanmıştır. Kaynak terminalleri 3.3 V veri yolu tarafına, savak terminalleri ise 5.0 V veri yolu tarafına bağlanır. Pull-up dirençleri R1 ve R2 (10 kΩ) 3.3 V hatlarını VDD1'e çekerken, R3 ve R4 (10 kΩ) 5.0 V hatlarını VDD2'ye çeker. Dekuplaj kondansatörleri C1 ve C2 (100 nF X7R seramik), her besleme alanında doğrudan düşük empedanslı yüksek frekans baypas sağlar.

Veri yolundaki hiçbir cihaz (ana veya bağımlı) veri yolunu sürmediğinde, her iki bölümdeki açık savak hatları ilgili pull-up dirençleri tarafından HIGH seviyesinde tutulur: 3.3 V hatları +3.3 V seviyesinde, 5.0 V hatları ise +5.0 V seviyesindedir. Hem Q1 hem de Q2 transistörleri için kapı +3.3 V'ta ve kaynak +3.3 V'tadır, bu da tam olarak sıfır kapı-kaynak gerilimi (VGS = VG - VS = 3.3V - 3.3V = 0 V) üretir. VGS eşik geriliminin (VGS(th) = 0.8\dots 1.5 V) çok altında olduğu için MOSFET'ler kesimdedir. Yüksek gerilimli 5.0 V bölümü, düşük gerilimli 3.3 V bölümünden tamamen izole edilir; böylece 3.3 V mikrodenetleyici girişlerinde aşırı gerilim stresi veya sızıntı önlenir.

3.3 V bölümündeki aktif bir cihaz mantık LOW seviyesi uyguladığında, MOSFET'in kaynağını toprağa doğru çeker (VS ≈ 0 V). Kapı +3.3 V seviyesinde sabitlendiğinden, kapı-kaynak gerilimi aniden VGS = 3.3V - 0V = 3.3 V seviyesine yükselir ve maksimum 1.5 V eşik geriliminin oldukça üzerine çıkar. MOSFET tam olarak iletime geçer ve düşük dirençli bir iletim kanalı (RDS(on) ≤ 6.0 Ω) sunar. 5.0 V pull-up direncinden gelen akım, iletken kanal üzerinden 3.3 V sürücüsü aracılığıyla toprağa akar ve 5.0 V hattını eşleşen mantık LOW seviyesine çeker (VOL2 = VOL1 + Ipull-up · RDS(on) ≤ 0.4 V).

5.0 V bölümündeki aktif bir cihaz mantık LOW seviyesi uyguladığında, MOSFET'in savağını toprağa doğru çeker. Başlangıçta MOSFET kanalı iletken değildir. Ancak N-kanal MOSFET'in dahili gövde diyotu, anodu kaynakta (3.3 V tarafı) ve katodu savakta (5.0 V tarafı) olacak şekilde yönlendirilmiştir. Savak gerilimi yaklaşık 2.6 V'un altına düştüğünde gövde diyotu doğru polarize olur ve iletime geçerek kaynak gerilimini diyot ileri gerilim düşümü kadar aşağı çeker (VS = VD + VSD ≈ 0.7 V). Kaynak gerilimi 3.3V - VGS(th) ≈ 1.8 V seviyesinin altına indiğinde VGS eşik gerilimini aşar ve iletim kanalı açılır. Kanal iletime geçtiğinde diyot gerilim düşümünü atlar ve 3.3 V hattını 5.0 V sürücü seviyesiyle uyumlu gerçek bir mantık LOW seviyesine temiz biçimde çeker.

Her iki taraftaki aktif sürücü veri yolunu serbest bıraktığında, her iki hat ilgili besleme raylarına doğru yükselmeye başlar. Başlangıçta, hat gerilimi VDD1 - VGS(th) değerinin altındayken iletimdeki MOSFET iki tarafı birbirine bağlı tutarak birlikte yükselir. Düşük gerilimli hat VDD1 - VGS(th) ≈ 1.8 V değerini aştığında VGS eşik değerinin altına düşer ve MOSFET kapanır. Bu andan itibaren iki veri yolu bölümü bağımsız olarak yükselir: 3.3 V bölümü R1/R2 üzerinden \tau1 = Rp · Cb1 zaman sabitiyle şarj olurken, 5.0 V bölümü R3/R4 üzerinden \tau2 = Rp · Cb2 zaman sabitiyle şarj olur. Bu durum, yüksek gerilimli veri yolu kapasitansını düşük gerilimli bölümden elektriksel olarak ayırarak genel sinyal bütünlüğünü artırır.