2021-12-20RS010x和RS020x系列器件是江蘇潤(rùn)石科技有限公司推出的自動(dòng)雙向電平轉(zhuǎn)換芯片。 由于RS010x內(nèi)部的上拉電阻和RS020x內(nèi)部的串聯(lián)電阻，使這兩款器件對(duì)外部上拉或下拉電阻相對(duì)敏感。 在本應(yīng)用指南中，我們研究了外部上拉和下拉電阻對(duì)RS010x和RS020x系列器件的 VOL 和 VOH 電平的影響。 由于外部上拉或下拉電阻會(huì)影響設(shè)計(jì)中輸出的電壓水平，因此大于 50 kΩ的高值上拉或下拉電阻有利于防止性能下降。
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1、有關(guān)概念
VOH:輸出高電壓電平范圍—與輸出電流有關(guān)（通常給出Min值to VCCA/B）
VOL:輸出低電壓電平范圍（通常給出0V to MAX值）
RS010x:自動(dòng)雙向電平轉(zhuǎn)換器，支持開(kāi)漏（2Mbps）和推挽（24Mbps）輸出
RS020x:自動(dòng)雙向電平轉(zhuǎn)換器，僅支持推挽（100Mbps）輸出
開(kāi)漏輸出:此處的開(kāi)漏輸出指的是電平轉(zhuǎn)換IC兩端芯片（主控和外設(shè)）輸出口的輸出模式，即主控和外設(shè)的輸出口僅有NMOS管需要外加上拉電阻。
推挽輸出:此處的推挽輸出指的是電平轉(zhuǎn)換IC兩端芯片（主控和外設(shè)）輸出口的輸出模式，即主控和外設(shè)的輸出口是CMOS管。
注意：電平轉(zhuǎn)換芯片支持兩種輸出模式，差別在于支持的速率不同，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全一致。開(kāi)漏和推挽輸出的對(duì)象是電平轉(zhuǎn)換芯片兩邊的芯片而不是其本身。
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2、RS010x系列外接電阻分析
2.1、RS010x上拉電阻分析
RS010x 系列轉(zhuǎn)換器集成了內(nèi)部上拉電阻，用于在驅(qū)動(dòng)邏輯高時(shí)保持輸出。 RS0101、RS0102、RS0104和RS0108 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部上拉電阻固定為 10 kΩ。有關(guān)輸出配置的簡(jiǎn)化圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖 1。
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圖1 RS010x系列簡(jiǎn)化示意圖
One-shot加速電路旨在瞬間增加過(guò)渡邊緣的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。 當(dāng)處于直流穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出由內(nèi)部上拉電阻保持高電平。 因此，添加外部上拉或下拉電阻都會(huì)影響輸出的變化過(guò)程。 為了演示由此產(chǎn)生的變化，在1kΩ 至 100 kΩ 的三個(gè)不同上拉和下拉電阻值范圍內(nèi)測(cè)量了 RS010x的輸出。有關(guān)測(cè)試設(shè)置，請(qǐng)參見(jiàn)圖 2。
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圖2 RS010x測(cè)試設(shè)置
如圖2所示，VCCA供電1.8V，VCCB供電3.3V。A1口輸入0-1.8V，頻率1kHz，占空比50%的方波，B1分別上拉1kΩ，4.7kΩ和100kΩ的上拉電阻到VCCB。隨后用示波器探頭去抓取波形。（黃色為輸入A1波形，紅色為輸出B1波形）
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圖3 RS0102無(wú)上拉電阻波形
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圖4 RS0102上拉1kΩ電阻波形
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圖5 RS0102上拉100kΩ電阻波形
圖3-5 中的結(jié)果說(shuō)明了上拉電阻對(duì)RS010x類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的VOL電平的變化。 由于外部上拉電阻與內(nèi)部 10 kΩ 并聯(lián)組合，同時(shí)驅(qū)動(dòng)低電平，因此沒(méi)有上拉電阻的基線VOL為 20 mV，而使用 1kΩ 上拉電阻的VOL為220 mV。這歸因于通過(guò)傳輸晶體管的額外電流，導(dǎo)致傳輸晶體管兩端的電壓降更大。等效上拉電阻= (10 × 1) / (10 + 1) =0.91 kΩ。該等效電阻為10kΩ與1kΩ并聯(lián)，如果換成100kΩ，VOL又會(huì)回到接近20mV的水平，此時(shí)并聯(lián)后結(jié)果接近10kΩ。
外部上拉電阻會(huì)對(duì)I/O端注入額外的電流（即Sink電流），導(dǎo)致VOL電壓的抬升，增加的幅度取決于外部驅(qū)動(dòng)器件的電流吸收能力和內(nèi)部傳輸晶體管的電阻。對(duì)比測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參考表1。
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2.2、RS010x下拉電阻分析
如圖2所示，VCCA供電1.8V，VCCB供電3.3V。A1口輸入0-1.8V，頻率1kHz，占空比50%的方波，B1分別下拉1kΩ，10kΩ和100kΩ的下拉電阻到地。隨后用示波器探頭去抓取波形。（黃色為輸入A1波形，紅色為輸出B1波形）
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圖6 RS0102下拉10kΩ電阻波形
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圖7 RS0102下拉100kΩ電阻波形
圖 6-7 中的結(jié)果說(shuō)明了下拉電阻對(duì)RS010x類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的VOH電平的變化。 沒(méi)有上拉電阻的基線 VOH 為 3.27V，而使用 10kΩ 下拉電阻的 VOH 為 1.46V。如果接到100kΩ，VOH則為3.07V。內(nèi)部上拉電阻和外部下拉電阻構(gòu)成了一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致VOH下降。 下拉電阻對(duì)VOH的負(fù)面影響說(shuō)明了為什么RS010x系列轉(zhuǎn)換器只能用于驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載。結(jié)果匯總見(jiàn)表 2。
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2.3總結(jié)
RS010x轉(zhuǎn)換器可以與外部上拉電阻一起使用，而不會(huì)對(duì)輸出電壓電平產(chǎn)生重大影響，前提是驅(qū)動(dòng)設(shè)備能夠吸收額外灌入的電流，并且內(nèi)部傳輸晶體管上的壓降不顯著。 而外加下拉電阻會(huì)導(dǎo)致VOH電平降低，因此要盡量避免使用下拉電阻。 如果外部需要下拉電阻以保持初始低電平狀態(tài)，電阻的值需要在100kΩ以上。下拉電阻對(duì) VOH 電平的負(fù)面影響也說(shuō)明了為什么RS010x系列轉(zhuǎn)換器只能用于驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載
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3、RS020x系列外接電阻分析
RS020x系列轉(zhuǎn)換器旨在驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載，在DC穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出由4kΩ緩沖器驅(qū)動(dòng)。在本節(jié)中，將研究外部電阻器對(duì)轉(zhuǎn)換器的VOH和 VOL 電平的影響。 圖8顯示了RS020x 的簡(jiǎn)化示意圖。
圖8 RS020x系列簡(jiǎn)化示意圖
3.1、RS020x上拉電阻分析
如果外接了上拉或下拉電阻，則會(huì)與 4kΩ 緩沖電阻形成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致 VOH 和 VOL 的電平發(fā)生變化。 RS0202的輸出是在三種不同的上拉和下拉電阻配置范圍內(nèi)測(cè)量的，從4.7 kΩ到47kΩ到100 kΩ。 測(cè)試原理圖請(qǐng)參考
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圖9 RS020x測(cè)試設(shè)置
如圖9所示，VCCA供電1.8V，VCCB供電3.3V。A1口輸入0-1.8V，頻率1kHz，占空比50%的方波，B1分別上拉4.7kΩ，47kΩ和100kΩ的上拉電阻到VCCB。隨后用示波器探頭去抓取波形。（黃色為輸入A1波形，紅色為輸出B1波形）
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圖10 RS0202無(wú)上拉電阻波形
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圖11 RS0202上拉4.7kΩ電阻波形
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圖12 RS0202上拉47kΩ電阻波形
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圖13 RS0202上拉100kΩ電阻波形
圖10-13中的結(jié)果說(shuō)明了上拉電阻對(duì)RS020x類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的VOL電平的影響。 沒(méi)有上拉電阻的基線 VOL 為 -20 mV，而使用 4.7kΩ 上拉電阻的 VOL 為 1.71 V。 當(dāng)上拉為47kΩ時(shí)，VOL為300mV，100kΩ的時(shí)候?yàn)?40mV。結(jié)果匯總見(jiàn)表 3。
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3.2、RS020x下拉電阻分析
如圖9所示，VCCA供電1.8V，VCCB供電3.3V。A1口輸入0-1.8V，頻率1kHz，占空比50%的方波，B1分別下拉4.7kΩ，47kΩ和100kΩ的下拉電阻到GND。隨后用示波器探頭去抓取波形。（黃色為輸入A1波形，紅色為輸出B1波形）
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圖14 RS0202下拉4.7kΩ電阻波形
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圖15 RS0202下拉47kΩ電阻波形
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圖16 RS0202下拉100kΩ電阻波形
圖14-16中的結(jié)果說(shuō)明了下拉電阻對(duì)RS020x類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的VOH電平的影響。 沒(méi)有上拉電阻的基線VOH為3.27V，而使用 4.7kΩ 下拉電阻的 VOH 為 1.51V。使用 47kΩ 下拉電阻的VOH為2.95V, 使用 100kΩ 下拉電阻的VOH為3.11V，下拉電阻對(duì) VOH 電平的負(fù)面影響說(shuō)明了為什么RS020x系列轉(zhuǎn)換器只能用于驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載。 結(jié)果匯總見(jiàn)表 4。
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RS020x轉(zhuǎn)換器不得使用小于 50 kΩ 的上拉和下拉電阻器，因?yàn)閮?nèi)部的4 kΩ輸出緩沖電阻和外部電阻會(huì)形成一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。VOL和VOH的值可以由以下等式估算：
其中VCCO為對(duì)應(yīng)輸出口的供電電壓值VCCA/VCCB。
3.3總結(jié)
根據(jù)以上結(jié)果，只有弱上拉或下拉電阻 (> 50 kΩ) 才能和RS020x器件一起使用。 如果需要更強(qiáng)的外部上拉電阻，請(qǐng)參考RS010x系列。
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3、結(jié)語(yǔ)
RS010x和RS020x電平轉(zhuǎn)換芯片由于其內(nèi)部有用于維持直流電平的內(nèi)置電阻，因此他們對(duì)外圍電阻比較敏感，使用時(shí)要尤其注意。
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