【干货】自动双向电平转换应用指南---上下拉电阻篇

RS010x和RS020x系列器件是江苏润石科技有限公司推出的自动双向电平转换芯片。 由于RS010x内部的上拉电阻和RS020x内部的串联电阻，使这两款器件对外部上拉或下拉电阻相对敏感。 在本应用指南中，我们研究了外部上拉和下拉电阻对RS010x和RS020x系列器件的 VOL 和 VOH 电平的影响。 由于外部上拉或下拉电阻会影响设计中输出的电压水平，因此大于 50 kΩ的高值上拉或下拉电阻有利于防止性能下降。

1、有关概念

VOH:输出高电压电平范围—与输出电流有关（通常给出Min值to VCCA/B）

VOL:输出低电压电平范围（通常给出0V to MAX值）

RS010x:自动双向电平转换器，支持开漏（2Mbps）和推挽（24Mbps）输出

RS020x:自动双向电平转换器，仅支持推挽（100Mbps）输出

开漏输出:此处的开漏输出指的是电平转换IC两端芯片（主控和外设）输出口的输出模式，即主控和外设的输出口仅有NMOS管需要外加上拉电阻。

推挽输出:此处的推挽输出指的是电平转换IC两端芯片（主控和外设）输出口的输出模式，即主控和外设的输出口是CMOS管。

注意：电平转换芯片支持两种输出模式，差别在于支持的速率不同，芯片内部结构完全一致。开漏和推挽输出的对象是电平转换芯片两边的芯片而不是其本身。

2、RS010x系列外接电阻分析

2.1、RS010x上拉电阻分析

RS010x 系列转换器集成了内部上拉电阻，用于在驱动逻辑高时保持输出。 RS0101、RS0102、RS0104和RS0108 转换器的内部上拉电阻固定为 10 kΩ。有关输出配置的简化图，请参见图 1。

图1 RS010x系列简化示意图

One-shot加速电路旨在瞬间增加过渡边缘的驱动强度。 当处于直流稳定状态时，输出由内部上拉电阻保持高电平。 因此，添加外部上拉或下拉电阻都会影响输出的变化过程。 为了演示由此产生的变化，在1kΩ 至 100 kΩ 的三个不同上拉和下拉电阻值范围内测量了 RS010x的输出。有关测试设置，请参见图 2。

图2 RS010x测试设置

如图2所示，VCCA供电1.8V，VCCB供电3.3V。A1口输入0-1.8V，频率1kHz，占空比50%的方波，B1分别上拉1kΩ，4.7kΩ和100kΩ的上拉电阻到VCCB。随后用示波器探头去抓取波形。（黄色为输入A1波形，红色为输出B1波形）

图3 RS0102无上拉电阻波形

图4 RS0102上拉1kΩ电阻波形

图5 RS0102上拉100kΩ电阻波形

图3-5 中的结果说明了上拉电阻对RS010x类型转换器的VOL电平的变化。 由于外部上拉电阻与内部 10 kΩ 并联组合，同时驱动低电平，因此没有上拉电阻的基线VOL为 20 mV，而使用 1kΩ 上拉电阻的VOL为220 mV。这归因于通过传输晶体管的额外电流，导致传输晶体管两端的电压降更大。等效上拉电阻= (10 × 1) / (10 + 1) =0.91 kΩ。该等效电阻为10kΩ与1kΩ并联，如果换成100kΩ，VOL又会回到接近20mV的水平，此时并联后结果接近10kΩ。

外部上拉电阻会对I/O端注入额外的电流（即Sink电流），导致VOL电压的抬升，增加的幅度取决于外部驱动器件的电流吸收能力和内部传输晶体管的电阻。对比测试结果请参考表1。

2.2、RS010x下拉电阻分析

如图2所示，VCCA供电1.8V，VCCB供电3.3V。A1口输入0-1.8V，频率1kHz，占空比50%的方波，B1分别下拉1kΩ，10kΩ和100kΩ的下拉电阻到地。随后用示波器探头去抓取波形。（黄色为输入A1波形，红色为输出B1波形）

图6 RS0102下拉10kΩ电阻波形

图7 RS0102下拉100kΩ电阻波形

图 6-7 中的结果说明了下拉电阻对RS010x类型转换器的VOH电平的变化。 没有上拉电阻的基线 VOH 为 3.27V，而使用 10kΩ 下拉电阻的 VOH 为 1.46V。如果接到100kΩ，VOH则为3.07V。内部上拉电阻和外部下拉电阻构成了一个分压网络，导致VOH下降。 下拉电阻对VOH的负面影响说明了为什么RS010x系列转换器只能用于驱动高阻抗负载。结果汇总见表 2。

2.3总结

RS010x转换器可以与外部上拉电阻一起使用，而不会对输出电压电平产生重大影响，前提是驱动设备能够吸收额外灌入的电流，并且内部传输晶体管上的压降不显着。 而外加下拉电阻会导致VOH电平降低，因此要尽量避免使用下拉电阻。 如果外部需要下拉电阻以保持初始低电平状态，电阻的值需要在100kΩ以上。下拉电阻对 VOH 电平的负面影响也说明了为什么RS010x系列转换器只能用于驱动高阻抗负载

3、RS020x系列外接电阻分析

RS020x系列转换器旨在驱动高阻抗负载，在DC稳态时输出由4kΩ缓冲器驱动。在本节中，将研究外部电阻器对转换器的VOH和 VOL 电平的影响。 图8显示了RS020x 的简化示意图。

图8 RS020x系列简化示意图

3.1、RS020x上拉电阻分析

如果外接了上拉或下拉电阻，则会与 4kΩ 缓冲电阻形成电阻分压网络，从而导致 VOH 和 VOL 的电平发生变化。 RS0202的输出是在三种不同的上拉和下拉电阻配置范围内测量的，从4.7 kΩ到47kΩ到100 kΩ。 测试原理图请参考

图9 RS020x测试设置

如图9所示，VCCA供电1.8V，VCCB供电3.3V。A1口输入0-1.8V，频率1kHz，占空比50%的方波，B1分别上拉4.7kΩ，47kΩ和100kΩ的上拉电阻到VCCB。随后用示波器探头去抓取波形。（黄色为输入A1波形，红色为输出B1波形）

图10 RS0202无上拉电阻波形

图11 RS0202上拉4.7kΩ电阻波形

图12 RS0202上拉47kΩ电阻波形

图13 RS0202上拉100kΩ电阻波形

图10-13中的结果说明了上拉电阻对RS020x类型转换器的VOL电平的影响。 没有上拉电阻的基线 VOL 为 -20 mV，而使用 4.7kΩ 上拉电阻的 VOL 为 1.71 V。 当上拉为47kΩ时，VOL为300mV，100kΩ的时候为140mV。结果汇总见表 3。

3.2、RS020x下拉电阻分析

如图9所示，VCCA供电1.8V，VCCB供电3.3V。A1口输入0-1.8V，频率1kHz，占空比50%的方波，B1分别下拉4.7kΩ，47kΩ和100kΩ的下拉电阻到GND。随后用示波器探头去抓取波形。（黄色为输入A1波形，红色为输出B1波形）

图14 RS0202下拉4.7kΩ电阻波形

图15 RS0202下拉47kΩ电阻波形

图16 RS0202下拉100kΩ电阻波形

图14-16中的结果说明了下拉电阻对RS020x类型转换器的VOH电平的影响。 没有上拉电阻的基线VOH为3.27V，而使用 4.7kΩ 下拉电阻的 VOH 为 1.51V。使用 47kΩ 下拉电阻的VOH为2.95V, 使用 100kΩ 下拉电阻的VOH为3.11V，下拉电阻对 VOH 电平的负面影响说明了为什么RS020x系列转换器只能用于驱动高阻抗负载。 结果汇总见表 4。

RS020x转换器不得使用小于 50 kΩ 的上拉和下拉电阻器，因为内部的4 kΩ输出缓冲电阻和外部电阻会形成一个电阻分压网络。VOL和VOH的值可以由以下等式估算：

其中VCCO为对应输出口的供电电压值VCCA/VCCB。

3.3总结

根据以上结果，只有弱上拉或下拉电阻 (> 50 kΩ) 才能和RS020x器件一起使用。 如果需要更强的外部上拉电阻，请参考RS010x系列。

3、结语

RS010x和RS020x电平转换芯片由于其内部有用于维持直流电平的内置电阻，因此他们对外围电阻比较敏感，使用时要尤其注意。