Двонаправлений перетворювач логічних рівнів I2C 3,3 В – 5 В на BSS138

Схема функціонує як двоканальний двонаправлений транслятор рівнів напруги для послідовної шини I2C з відкритим стоком, узгоджуючи низьковольтну секцію системи (VDD1 = +3,3 В) із високовольтною секцією (VDD2 = +5,0 В). Кожна лінія шини (SDA та SCL) використовує один дискретний N-канальний польовий транзистор збагаченого типу (Q1 для SDA, Q2 для SCL). Затвори обох MOSFET постійно під'єднані до нижчої напруги живлення VDD1 (+3,3 В). Виводи витоку під'єднані до сторони 3,3 В, а виводи стоку — до сторони 5,0 В. Підтягувальні резистори R1 і R2 (10 кОм) підтягують лінії 3,3 В до VDD1, а R3 і R4 (10 кОм) підтягують лінії 5,0 В до VDD2. Розв'язувальні конденсатори C1 та C2 (100 нФ, кераміка X7R) забезпечують низькоімпедансне високочастотне блокування безпосередньо в кожному домені живлення.

Коли жоден пристрій на шині (ведучий чи ведений) не транслює логічний нуль, лінії з відкритим стоком на обох ділянках утримуються на високому рівні відповідними підтягувальними резисторами: лінії 3,3 В мають потенціал +3,3 В, а лінії 5,0 В — +5,0 В. Для обох транзисторів Q1 і Q2 затвор перебуває під потенціалом +3,3 В, і витік — під потенціалом +3,3 В, через що напруга затвор-витік дорівнює точно нулю (VGS = VG - VS = 3.3V - 3.3V = 0 V). Оскільки VGS значно нижча за порогову напругу відкривання (VGS(th) = 0.8\dots 1.5 V), MOSFET повністю перекриті (у режимі відсічки). Високовольтна секція 5,0 В повністю ізольована від низьковольтної секції 3,3 В, що запобігає перенапрузі та паразитним витокам струму на входи мікроконтролера 3,3 В.

Коли активний пристрій у секції 3,3 В встановлює логічний нуль, він притягує витік MOSFET до землі (VS ≈ 0 V). Оскільки затвор зафіксований на рівні +3,3 В, напруга затвор-витік стрибкоподібно зростає до VGS = 3.3V - 0V = 3.3 V, що значно перевищує максимальну порогову напругу 1,5 В. Транзистор повністю відкривається, створюючи низькоомний канал провідності (RDS(on) ≤ 6.0 Ω). Струм від підтягувального резистора 5,0 В тече через відкритий канал до землі через вихідний каскад пристрою 3,3 В, надійно встановлюючи на лінії 5,0 В відповідний логічний нуль (VOL2 = VOL1 + Ipull-up · RDS(on) ≤ 0.4 V).

Коли активний пристрій у секції 5,0 В встановлює логічний нуль, він притягує стік MOSFET до землі. Спочатку канал транзистора закритий. Проте внутрішній діод підкладки N-канального MOSFET увімкнений анодом до витоку (сторона 3,3 В), а катодом — до стоку (сторона 5,0 В). Коли напруга на стоці опускається нижче приблизно 2,6 В, діод підкладки зміщується в прямому напрямку й починає проводити струм, знижуючи напругу на витоку на величину прямого падіння на діоді (VS = VD + VSD ≈ 0.7 V). Коли напруга на витоку опускається нижче 3.3V - VGS(th) ≈ 1.8 V, напруга VGS перевищує поріг, і відкривається інверсійний канал польового транзистора. Відкритий канал шунтує діод, швидко й чисто притягуючи лінію 3,3 В до істинного логічного нуля, узгодженого з рівнем формувача 5,0 В.

Коли активний формувач нуля на будь-якій зі сторін відпускає шину, напруга на обох секціях починає зростати до відповідних шин живлення. Спочатку, доки напруга на лінії нижча за VDD1 - VGS(th), відкритий MOSFET утримує обидві сторони з'єднаними, і вони наростають синхронно. Щойно напруга на низьковольтній лінії перевищує VDD1 - VGS(th) ≈ 1.8 V, VGS стає меншою за порогову, і транзистор закривається. Починаючи з цього моменту, обидві ділянки шини наростають незалежно: секція 3,3 В заряджається через R1/R2 зі сталою часу \tau1 = Rp · Cb1, а секція 5,0 В заряджається через R3/R4 зі сталою часу \tau2 = Rp · Cb2. Це електрично відокремлює паразитну ємність високовольтної шини від низьковольтної, суттєво покращуючи цілісність сигналу.