嵌入式I2C 信号线为何加上拉电阻(图文并茂)

IIC 是一个两线串行通信总线，包含一个 SCL 信号和 SDA 信号，SCL 是时钟信号，从主设备发出，SDA 是数据信号，是一个双向的，设备发送数据和接收数据都是通过 SDA 信号。

 

在设计 IIC 信号电路的时候我们会在 SCL 和 SDA 上加一个上拉电阻。

 

今天就来分享下，为什么要在 IIC 信号线上加上拉电阻。

主要原因就是 IIC 芯片的 SDA 和 SCL 的引脚是开漏输出，就是只有一个 NMOS 管，不像推挽输出有两个 MOS 管。

 

当芯片 SDA 和 SCL 的引脚输出 MOS 管导通，IIC 信号线电平为低电平。

 

当芯片 SDA 和 SCL 的引脚输出 MOS 管关闭，如果没有上拉电阻，IIC 信号线是处于一个高阻状态，电平是未知的，开漏输出是没有高电平的输出能力的。

 

所以加上上拉电阻后，当芯片 SDA 和 SCL 的引脚输出 MOS 管关闭，IIC 信号线上的电平就是一个确切的高电平。

 

当多个 IIC 设备通过 IIC 总线接在一起，这就要求 IIC 设备间可以实现线与，而芯片的 IIC 引脚是开漏输出的话就能很好的实现这个线与。只要有一个 IIC 设备的引脚电平是低电平，那么相应的 SCL 或 SDA 总线也会成为一个低电平。如果 IIC 设备引脚为推挽输出，多个 IIC 设备接在一条总线上很容易烧坏芯片。

 

IIC 上拉电阻的取值

IIC 信号的上拉电阻阻值不能太大，因为 IIC 芯片 SCL 和 SDA 引脚都存在寄生电容，同时 SDA 和 SCL 信号的走线也会有寄生电容，整个 IIC 总线上相当于接了一个负载电容 Cl

 

上拉电阻过大，IIC 总线高电平的驱动能力差，总线电平从 0 到 1 变化时，等效为这个 RC 的充电电路，上拉电阻越大，波形上升沿会变缓，一定程度会影响 IIC 的时序，可能会出现误码。所以这个上拉电阻不能太大。

 

IIC SDA 和 SCL 信号的上升时间和总线电容在不同的模式下有不同的要求，大家可以看下这个表。

 

IIC 总线信号上升时间可以根据公式 Tr=0.8473*R*Cl   Cl 就是 IIC 总线的等效负载电容

IIC 信号上拉电阻也不能太小，如果太小了，当 IIC 引脚输出低电平时，灌进芯片 IIC 引脚的电流会变大，可能会使 IIC 信号线的低电平变大，同时 IO 口电流过大还可能烧坏芯片。

 

我们一般要求，IIC 引脚低电平时，流过芯片 IIC 引脚的电流小于 3mA，所以如果是 3.3V 上拉的话，这个电阻就要 R>(3.3-VoL)l3KΩ=0.96KΩ ，其中 VoL 是 IIC 引脚为低电平时的最大电压，一般是 0.4V。再加上前面的这个公式我们就可以确定这个上拉电阻的取值范围。

 

电源电压决定上拉电阻的最小值，总线负载电容决定上拉电阻的最大值。

IIC 信号上拉电阻取值常用的值就是 4.7K，一般小于 10K，大于 1K，如果 IIC 总线比较长，从设备比较多，可以适当降低电阻。

如果 IIC 总线接了很多 IIC 设备，是不是每个 IIC 设备都要加上拉电阻？

 

答案是否定的，我们只要在 SDA 和 SCL 总线上合适的位置各加一个上拉电阻即可，如果每个设备都加上拉，相当于这些电阻是并联在一起了，减小了电阻值。至于上拉电阻的位置一般没有特别的要求。一般加在 IIC 的末端。