I2C总线双向电平转换实用电路

如果所使用的I2C总线上的设备存在多种电平标准，如5V，3.3V，甚至是更低的1.8V，那么使用I2C总线在这些设备之间通信就需要进行电平转换。使用专用的电平转换芯片往往能够得到良好的性能，但是对于速度不高的I2C总线（如标准模式，100kbps），并不一定需要这样的器件。这里介绍一种电路，使用简单的NMOS管和上拉电阻完成这样的双向电平转换。电路原理如图所示。


此电路来自于飞利浦的一篇设计指导文档，是I2C总线官方推荐使用的电平转换电路。在实际使用过程中，需要尤其注意NMOS管的选型以及上拉电阻阻值的选取。由于该电路基于上拉电阻，NMOS管的电容特性可能会导致波形劣化。为了保证输出的上升速度，使得输出波形维持较好的形状以保证数据正确，通常选择Qg较小的NMOS管。下图展示了3.3V到5V电平转换的仿真结果。其中，NMOS管选用2N7002，3.3V电平和5V电平一侧上拉电阻阻值均选择为4.7K。输入信号频率为100KHz，为I2C总线标准模式数据速率。


可见，5V电平输出波形虽有上升的过程，但其形状劣化程度仍能够令人满意。