Perché I2C è progettato per funzionare con resistori pull-up e non pull-down?

Comprendo che in I2C, le linee SCL e SDA utilizzano resistori pull-up e i driver dei pin sono dispositivi NPN a collettore aperto che possono guidare i pin a terra. Ciò offre a I2C il vantaggio che ora lo stesso bus può essere condiviso con più slave e anche se due o più slave tentano accidentalmente di guidare il bus contemporaneamente, non causerà alcun danno al sistema.

Ma questo può essere fatto anche usando driver di drain aperti PNP e resistori pull-down su linee SDA e SCL. Anche cose come lo stretching dell'orologio e l'arbitrato multi-master possono essere raggiunti.

L'attuale implementazione del protocollo I2C offre vantaggi rispetto all'implementazione alternativa suggerita sopra?

Elettricamente ha senso perché la terra è l'unica connessione comune a tutti i dispositivi su un bus IIC. Questa è una limitazione molto meno che forzare l'alimentazione come connessione comune a tutti i dispositivi IIC, come sarebbe richiesto se le linee fossero spinte in alto e fluttuassero in basso tramite pulldown.

Si noti che non tutti i dispositivi IIC devono essere alimentati dalla stessa rete o dalla stessa tensione. Ciò non sarebbe vero se entrambe le linee di bus dovessero essere guidate alla singola tensione di alimentazione comune.

Ai vecchi tempi, i conducenti TTL erano molto più bravi a tirare giù un segnale che a tirarlo su. Pertanto, protocolli come I2C, ma anche linee di interruzione, reset e altri, sono stati tutti implementati usando un pull-up con pull-down distribuito.

È più facile utilizzare la terra come riferimento comune tra i sottosistemi che potrebbero avere tensioni di alimentazione variabili. Se si utilizzano transistor PNP per raggiungere una tensione di alimentazione, tutti i sottosistemi dovrebbero essere collegati alla stessa alimentazione.

Le buone risposte abbondano qui, ma c'è anche un'altra ragione.

Se lo stato di riposo del bus è a terra, non c'è modo di sapere se il bus è collegato o è semplicemente sospeso nello spazio.

È normale che il pull-up si trovi sul dispositivo master. Gli schiavi di solito non hanno un pull-up. Questo perché la corrente di pull-down che sarebbe richiesta per affermare un livello basso aumenterebbe con il numero di dispositivi collegati al bus.

Uno slave, quando collegato al bus, può quindi rilevare che la linea è alta (supponendo che non venga utilizzata) e sapere che il bus è effettivamente lì e silenzioso. Questo non sarebbe il caso di un bus con polarizzazione a terra.

Se capisco correttamente la domanda, un aspetto è:

• Perché usi resistori pull-up e transistor NPN invece di resistori pull-down e transistor PNP?

Prima di tutto dovresti notare che non usi transistor bipolari (NPN, PNP) ma MOSFET (che esistono in quattro diverse varianti).

I dispositivi che utilizzano la variante " pull-up e NPN " utilizzano un MOSFET di miglioramento n-channel . Poiché la sorgente di questo MOSFET è collegata a terra, la tensione gate-source (che controlla il flusso di corrente) è uguale alla tensione tra gate e terra. Quindi il MOSFET può essere controllato usando una tensione compresa tra 0 e Vdd.

Vi sarebbero tre possibilità per implementare la variante " pull-down e PNP ":

• Utilizzo di un MOSFET di miglioramento del canale p

  Sui circuiti integrati NMOS o CMOS i MOSFET a canale p con caratteristiche comparabili (resistenza ecc.) Richiedono più spazio dei MOSFET a canale n.

  Nella microelettronica lo spazio è denaro, quindi MOSFET a canale p evitati se possibile.

• Utilizzo di un MOSFET di miglioramento n-channel

  Ciò richiederebbe che l'uscita del circuito logico che guida il transistor abbia una tensione "BASSA" della tensione di alimentazione (ad es. + 5 V) e una tensione "ALTA" sopra la tensione di alimentazione (ad es. + 10 V quando viene fornito il resto del circuito con + 5V).

  Il motivo: la tensione di terra della sorgente sarà Vdd quando il MOSFET sta conducendo. La tensione gate-source deve essere positiva, quindi la tensione tra gate e terra deve essere anche più alta.

  Avresti bisogno di due alimentatori di tensione - e un circuito che sposta l'uscita del circuito logico da 0 ... + 5V a + 5V ... + 10V ...

• Utilizzo di un MOSFET a svuotamento del canale n

  Purtroppo non posso dirti molto su questa soluzione. Tuttavia, ho trovato alcune pagine usando Google che affermano che i MOSFET a svuotamento sono più difficili da produrre rispetto ai MOSFET a valorizzazione e sono evitati per questo motivo.

  So dall'elettronica di potenza (non dalla microelettronica) che la variante "due alimentatori" descritta sopra è persino preferita rispetto ai MOSFET a svuotamento. (Ma non posso dirti perché.)

  MODIFICA Usando MOSFET a svuotamento del canale n probabilmente avresti bisogno di una tensione negativa (es. -5 V) quindi avresti anche bisogno di due tensioni di alimentazione ...

C'è anche un ulteriore vantaggio in più per avere linee di dati comuni di pull-up (oltre a VCC e pull-down comuni):

Anche se l'intenzione originale era quella di collegare i dispositivi sullo stesso PCB a una distanza di pochi pollici, ha avuto abbastanza successo, quindi ora non è raro avere le linee lunghe coppie di piedini e collegare "dispositivi" che potrebbero essere computer o qualcosa di uguale complessità, con alcuni dispositivi che hanno le proprie fonti di alimentazione (di diversa qualità, diciamo che si collega qualcosa a presa a muro con qualcosa alimentato a batteria). È meglio, se la connessione funziona "almeno bene" anche in condizioni non ideali e fuori specifica.

E molti di questi dispositivi collegati possono essere in qualche modo collegati anche con altri mezzi, quindi solo comunicazione I2C. Di solito quando si collegano dispositivi insieme si connette common ground- a volte come parte di altre funzioni, a volte solo perché è montato su una custodia in metallo e anche i dispositivi sono collegati a terra con la custodia (o con un dispositivo di raffreddamento comune o qualcosa del genere) o potrebbero esserci essere cavo schermato con schermatura messa a terra all'interno - che collega anche i motivi.

Se si collegano anche direttamente le linee elettriche (VCC) di tali dispositivi, si verificheranno problemi quando tali linee sarebbero naturalmente sotto tensione diversa (certo, si potrebbe dire 5 V qua e là, ma a seconda della costruzione e delle tolleranze parziali delle fonti di energia esso potrebbe anche essere 4,9 V o 5,2 V o addirittura cambiare, se è alimentato a batteria e talvolta fa funzionare alcuni motori, facendo scendere e aumentare la potenza nel tempo).

In tal caso esiste effettivamente un cortocircuito tra quelle fonti di energia di una parte a Volt e, a seconda delle fonti (e della resistenza dei modi), potrebbero fluire correnti relativamente elevate con conseguente non solo spreco di energia e aumento di calore, ma forse anche in danno ( o accorciando la vita) di alcune di queste fonti. Che non va bene.

Avere messa a terra comune e pull-up evita tali problemi: la terra è messa a terra e le resistenze pullup consentono solo una corrente incrociata molto piccola anche se il VCC differisce molto sui dispositivi.

Non è necessario inviare così tanta potenza attraverso il chip, se è pull up.

Poiché il chip non guida nulla, sta semplicemente creando un short per portare il bus a 0 e facendo un open per portarlo a 1.

Se fosse abbattuto, dovresti inviare energia attraverso il chip per guidare il bus a 1. Se il bus sembra essere un cortocircuito accidentale, potrebbe essere molta energia che guidi attraverso quel chip per provare a spingerlo fino a 1.

Disclaimer: sono un EE piuttosto schifoso a questo punto.