I2Cバスの振幅を変換する回路路

2003年4月号

I²Cバスの振幅を変換する回路

ピーター・ルー	米オプトロン・エックス社
Peter Liu	Optron X, Inc.

　このアイデアでは、I²Cバスを5～0Vの振幅（正ドメイン）から0～－5Vの振幅（負ドメイン）に変換する方法を紹介する。
　複数の電源電圧を有するシステムでは、振幅が0～5Vのデジタル論理信号を負電源で動作するアナログ信号に変換することがある。実現手段としては、正ドメインでD-A変換を実行してから、電圧変換する方法がある。しかし、この方法では誤差が生じる。さらに部品点数も多くなってしまう。この方法よりもデジタル信号の電圧変換を行ってから、負ドメインでD-A変換を実行した方がよい。ただしこの場合は、負の基準電圧源を用意する必要がある。
　I²Cバスは2線式の双方向バスだ。1線はクロック線で、もう1線はデータ線である。プルアップ抵抗とオープン・コレクターによって、負論理の信号を出力できるようになる。

　(図1)にはI²Cバスを使った典型的な回路構成を示す。マイコンがマスターで、ほかの周辺素子がスレーブである。それぞれの素子は個別にI²Cアドレスを有する。マスターが常にクロック信号を生成する。マスターとスレーブの両方がデータ線を使ってデータを送信できる構成となっている。
　電圧変換の動作を(図2)に示した簡単な回路を使って説明する。この回路はクロック信号を正から負の電圧に変換する。IC Q1はpnpトランジスタとnpnトランジスタ、4個の抵抗を内蔵し、パッケージはSOT-363である。抵抗R1は、正ドメインに必要なプルアップ機能を提供する。負ドメインでは抵抗R2がこの機能を担う。

　(図2)の回路動作は簡単だ。入力電圧VINをVDDに設定すると、Q1はオフ状態になる。従って出力電圧VOUT=0Vである（論理は高レベル）。VINを0Vに設定すると、Q1はオン状態に変わるのでVOUT=VEEになる（論理は低レベル）。この回路は、正から負の方向にだけ電圧を変換する。このためマスターはスレーブがクロック信号を低レベルに保持していることを確認できない。従って、I²Cバスのクロック線における拡張機能（待ち状態）を利用したい場合は、双方向（正から負と負から正の方向）に電圧変換できる回路が必要になる。
　データ線にも双方向に電圧変換できる回路が必要である。マスターがデータを送信するとき、マスターは負ドメインにあるスレーブがデータの9ビット目を低レベルにプルダウンしたかどうかを確認する。この動作を送信データの1バイトごとに実行する必要がある。スレーブがマスターの指示を受けて、データを送信する場合も同様である。スレーブがデータ送信モードのとき、スレーブはマスターがデータの9ビット目を低レベルにプルダウンしたかどうかを送信データの1バイトごとに確認しなければならない。
　こうした動作も5個のICと5個の抵抗だけで実現できる(図3）。(図3）の回路は、(図2）の回路と回路トポロジーが同じである。アナログ・スイッチIC1とアナログ・スイッチIC2をオン状態にすると共に、(図3）に示した回路の下半分を無視して考えればよい。

　SDA_POSピンをVDDに設定すると、IC Q1はオフ状態になる。従って抵抗R3と抵抗R4が出力を0Vにプルアップする。このためSDA_NEG=0Vとなる（論理は高レベル）。SDA_POSピンを0Vに設定すると、Q1はオン状態に変わるのでSDA_NEG≒VEEに変化する（論理は低レベル）。
　ここでスレーブからマスターへのデータ送信経路を説明する。SDA_NEGピンを0Vに設定すると（論理は高レベル）、IC Q2はオフ状態になると共に、抵抗R1はSDA_POSピンをVDDまでプルアップする。SDA_NEGピンをVEEに設定すると（論理は低レベル）、Q2はオン状態になる。この結果、抵抗R1と抵抗R2、抵抗R5によって出力電圧が決定する。ここではSDA_POS≒0Vである。R1とR2、R5のそれぞれの抵抗値は、VDD=5VとVEE=－5.2Vの2条件で決まる。帰還経路にトランジスタを追加すれば、論理を表す電圧値をR1とR2、R5の抵抗値から独立して設定することも可能だ。
　マスター/スレーブがSDA_POSピン/　SDA_NEGピンをプルダウン（論理は低レベル）するとき、アナログ・スイッチIC1とアナログ・スイッチIC2、ショットキー・バリアー・ダイオードD1A、ショットキー・バリアー・ダイオードD1Bは正帰還の経路を遮断する役割を果たす。これらの素子がないと、Q1やQ2はラッチ動作をしてしまう。
　(図3）の回路は、クロック周波数が50kHzであるI2Cバスのタイミングに関する仕様を満たす。クロック周波数を100kHzに高めたいのであれば、内部抵抗が10kΩの「MUN5311」をQ1とQ2に用いればよい。「MUN5312」の内部抵抗は22kΩだ。クロック線にも(図3）の回路を採用すれば、すべてのI²Cバス・モードの動作が実現できるようになる。

「design ideas」への寄稿のお願い

「design ideas」は米EDNの「名物コラム」です。このコラムは、電子機器設計や電子回路設計などの現場で働く技術者の皆さまからのご寄稿により成り立っています。そこで、「EDN Japan」でも半導体メーカーや電子機器メーカーの電子技術者のほか、大学などの研究者、コンサルタント業務に携わる技術者などの皆さまからのご寄稿を募集します。

【記事内容】
・	電気/電子回路の新たな提案とその説明。
・	半導体製品に搭載した新たな回路の紹介。
・	半導体/電子部品の面白い使い方。
・	半導体/電子回路の性能を引き出す、あるいは部品の弱点を補う回路の提案。
などです。上記以外のテーマについては、別途ご相談ください。

【原稿の長さ】
・	1～2ページ。文字数は1000～1500、図版は1～2点です。

【原稿料】
・	採用原稿に対して、400字当たり3000円（税込み）。

【注意点など】
・	未発表のものに限定します。
・	ご寄稿いただいた原稿は、EDN Japanで選考して、採用/不採用を決めさせていただきます。ご寄稿いただいた原稿は、お返しできません。
・	ご寄稿いただいた原稿に対して、加筆、改筆をお願いする場合がございます。
・	掲載した原稿の著作権はEDN Japanに帰属します。

design ideasへのご寄稿に関するご質問、ご要望などは、 EDN Japan編集部、住所：〒107-0051東京都港区元赤坂1-7-17 テラサワビル4F 電話： 03-3402-0076、FAX：03-3402-0209 e-mail：ednjreader@reedbusiness.jp


雑誌無償購読申込み	ニュースレター登録	この記事に対する感想/ご意見


	Reed Electronics Group
	Electronic BUSINESS Japan　\|　Design Ｎews Japan　\|　Semiconductor INTERNATIONAL　\|　DETAIL JAPAN


	EDN Japanについて　\|　広告掲載について　\|　サイトマップ　\|　お問合せ

		Copyright (C) 2000-2006 Reed Business Infomation Japan K.K.

	個人情報に関する方針　\|　著作権・リンクについて　\|　会社情報