I2C七宗罪之第四罪——電平轉換

今天來說一道Facebook的面試題，曾經我的一個朋友夢想去美國矽谷工作，Facebook的工程師在面試時問了一道關於I2C的問題，比較簡單也比較直接，可惜我的那個兄弟由於太緊張，沒有答好，大家在看這篇文章時，不妨自測一下自己能不能準確答出來。

我們先來看一張圖，熟悉I2C的人一看，這不是I2C的level shifter電路嘛，在Philip的I2C標準裡面有，沒有啥複雜的。

我們先來解讀下這張圖，I2C的level shifter是通過NMOS管來實現的，有人可能會問，為什麼不用PMOS呢？一般情況下，只有在外部電源輸入端，我們設計INRUSH電流緩啟動或者防反插電路的時候才會用到PMOS。理由很簡單， PMOS是低電平打開，電源插入瞬間系統其實還沒有用於打開MOSFET的高電平，所以只能選擇PMOS， 而NMOS體積小，RDSON低，在系統內部會更多選擇NMOS。

言歸正傳，我們來繼續討論I2C問題。首先我們要牢牢記住，I2C是Open-drain，所以level shifter電路的兩邊都是上拉電阻Rp的，下面講下這個電路是怎麼工作的。

下圖是兩張I2C的基本操作時序圖，分別是Master對Slave所做的讀和寫：

我們可以看到， SDA一定是雙向的，既然是雙向的，那麼就有四種情況，我們來一一解釋level shifter是怎麼來cover它們的。（注意：這裡面會含有一個Facebook的問題，不要忘記自測哦。）

1) 左邊MasterSDA_1為輸出，驅H-3.3V，NMOS的VGS=0, 此時NMOS關閉；

2) 右邊的Slave的SDA_2是輸入，對外呈現高阻；

3) NMOS關斷和SLAVE為輸入，導致SDA_2懸空；

4) 最終SDA_2依靠RP2上拉到5V，完成3.3V到5V的轉換。

1) 左邊MasterSDA_1為輸出，驅Low=0，NMOS的VGS>0, 此時NMOS打開；

2) 右邊的Slave的SDA_2是輸入，對外呈現高阻；

3) NMOS打開和SLAVE為輸入，導致SDA_2=SDA_1=0；

4) 最終SDA_2被SDA_1拉到0，完成低電平的轉換。

1) 右邊Slave SDA_2為輸出，驅H-5V；

2) 左邊Master SDA_1為輸入，對外高阻, 被RP1上拉到3.3V；

3) NMOS 因為VGS=0一直關閉；

4) NMOS關閉，Master SDA_1維持3.3V高電平，完成電平轉換。

1) 右邊Slave SDA_2為輸出，驅LOW；

2) 左邊Master SDA_1為輸入，對外高阻, 被RP1上拉到3.3V；

3) NMOS 因為VGS=0一直關閉；

4) NMOS關閉，Master SDA_1為3.3V高電平。

問題來了，我們看到右邊的SDA_2位Low，但是左邊的是SDA_1位High，那不是失敗了嘛，不可能啊，這個電路是好的啊。

我們來看看下一步會發生什麼，其實這個問題沒有那麼難，仔細看看這張圖，還是比較容易發現線索的。

我們來揭曉答案：大家看看上圖的NMOS下面多了一個二極體，我們把這個二極體叫做Body Diode，它會在這個時候發揮作用。

5) 由於左邊SDA_1為高，右邊SDA_2為LOW, Body Diode導通；

6) SDA_1被拉低，導致NMOS VGS>0 後打開；

7) NOMO打開後，SDA_1和SDA_2相當於短在一起；

8) 最終左邊SDA_1被右邊的SDA_2拉低變為LOW。

我們看到由於體二極體的作用，打開NMOS管，使得右邊Slave輸出的L=0順利到達左邊的Master SDA_1輸入端。

當你看著這張圖，按圖索驥，也許不難發現答案，但是在面試的時候，一是緊張，二是沒有清晰的電路提示，有時候容易發揮不出來，你們覺得呢？

今天這個小坑就先講解到這裡，後面的第五宗罪——負載會更加精彩哦！