I2C的開漏輸出和上拉電阻

I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線，它采用同步方式串行接收或發送信息，I2C總線是由串行數據線SDA和串行時鐘線SCL組成。因為I2C只有一根數據線，故發送信息和接收信息無法同時進行，I2C工作時的傳輸速率在標準模式下可達100kbit/s，快速模式下可達400kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。I2C總線采用漏極開路的設計，且SDA和SCL通過上拉電阻連接V CC 。今天就和大家來探討一下I2C為什么需要用開漏輸出和上拉電阻。

首先，讓我們簡單地來回顧一下上周所介紹的推挽輸出和開漏輸出。

開漏輸出：如果輸出控制電路接收到低電平（0）時，此時地N-MOS導通，不管有沒有接上拉電阻，I/O端口處的電平都會被N-MOS管拉低。但是當輸出控制電路接收到高電平（1）時，N-MOS管截止，有上拉電阻存在時，輸出高電平，沒有上拉電阻存在時，輸出電路開路，不能輸出高電平。簡而言之，開漏輸出只有接上上拉電阻時，才有輸出高電平的能力。

推挽輸出：因為增加了一個P-MOS管，當CPU輸出邏輯“1 ”時，P-MOS管導通，輸出高電平。當CPU輸出邏輯“0 ”時，P-MOS管截止，輸出低電平。

為什么I2C需要用開漏輸出？

因為I2C協議是支持多個主設備與多個從設備在一條總線上的，此時就會有多個GPIO口連接在同一條總線上，就勢必會出現輸出高、低電平不統一的情況，如果采用推挽輸出時，就可能會出現某個GPIO的Vcc和GND連接在一起造成短路的情況，當你采用開漏輸出時，因為有上拉電阻的存在就可以避免這一問題的出現。

為什么要上拉電阻？

①：因為開漏輸出不接上拉電阻時無法輸出高電平。而I2C通信需要有輸出高電平的能力，故在漏極接上上拉電阻

②：I2C總線由SDA(串行數據接線)和SCL（串行時鐘線）及上拉電阻組成，這樣能夠實現“線與”功能，不僅簡化了電路，而且依照“線與”邏輯，可以實現多個主設備搶占總線時的仲裁，因為如果一個設備需要啟動I2C時，它需要在SCL為高電平時，將SDA由高電平拉低作為啟動信號,SDA拉高后，設備會對SDA的電平進行檢查，如果此時SDA為低電平，就表示總線已經被占用，如果SDA為高電平，就說明總線可以被占用。

上拉電阻阻值怎么確定？

一般I\\0端口的驅動能力在2mA-4mA量級。

阻值不能過小：

當上拉電阻阻值過小時會導致從VCC輸入的電路較大，進而使得MOS管不完全導通（由飽和狀態變成放大狀態），因為I2C協議規定，端口輸出低電平的最高允許值為0.4V，故這樣就會使得端口輸出的低電平值增大。所以上拉電阻選取時不能低于1KΩ。

阻值不能過大：

因為上拉電阻和總線電容之間形成了RC，如果電阻過大會導致總線拉高的時間拉長以及輸出阻抗的增大，當輸出阻抗增大到可以與負載阻抗抗衡時，輸出的高電平會因為分壓而減少。

綜上所述，建議上拉電阻選擇使用1.5K、2.2K、4.7K。