Почему интерфейс IIC использует выход с открытым стоком
07 августа 2025
При проектировании периферийной схемы интерфейса IIC обычно используется топология с подтягивающим резистором, показанная на рисунке 1, а ее внутренняя структура соответствует выходу с открытым стоком, показанному на рисунке 2.
Уровень сигнала на выходе с открытым стоком управляется внешней подтяжкой и внутренней логикой, благодаря чему шина может как притягиваться к низкому уровню, так и отпускаться. Такая схема строится на NMOS-транзисторе, который включается и выключается управляющим сигналом. Когда управляющий сигнал открывает NMOS, на выходе формируется низкий уровень. Когда транзистор закрывается, выход переходит в высокоимпедансное состояние, и для получения высокого уровня необходим внешний подтягивающий резистор.
Такая структура позволяет гибко управлять уровнем на шине, не создавая прямого жесткого драйва линии, что обеспечивает безопасное соединение и обмен данными между несколькими устройствами. Преимущества использования выхода с открытым стоком особенно заметны в следующих аспектах.
1. Предотвращение короткого замыкания
Если вместо схемы с открытым стоком использовать двухтактный выход и подключить к одной шине несколько устройств, то при высоком уровне на выводе одного устройства и низком уровне на выводе другого появится прямое короткое замыкание между VCC и GND, что может повредить схему. Конфигурация с открытым стоком устраняет эту проблему: независимо от числа устройств на одной линии риск силового короткого замыкания отсутствует.
2. Повышение нагрузочной способности и снижение энергопотребления
Подключение подтягивающего резистора к выводу с открытым стоком позволяет выполнять согласование уровней и одновременно повышать нагрузочную способность. Внешняя цепь берет на себя часть функции формирования высокого уровня, что уменьшает нагрузку на внутренний драйвер микросхемы. Когда внутренний MOSFET внутри IC открыт, ток проходит от внешнего VCC через Rpull-up, транзистор и далее в GND. При этом внутри самой микросхемы требуется лишь небольшой управляющий ток затвора.
3. Использование функции «монтажное И» для определения активного состояния шины
Несколько выходов с открытым стоком можно подключить к одной линии, чтобы образовать логическое отношение типа «И», известное как функция wired AND. Если хотя бы один вывод переводит линию в низкий уровень, общий логический уровень линии также становится равным 0. Именно этот принцип используется в шине I2C для определения состояния занятости шины.
4. Упрощение преобразования выходных уровней
Уровень передачи можно изменять за счет выбора напряжения питания подтягивающей цепи, тогда как высокий уровень на выходе определяется величиной VDD. Это делает выход с открытым стоком удобным для межсхемного согласования логических уровней между различными устройствами.