2021-12-20RS010x和RS020x系列器件是江蘇潤石科技有限公司推出的自動雙向電平轉換芯片。 由于RS010x內部的上拉電阻和RS020x內部的串聯電阻，使這兩款器件對外部上拉或下拉電阻相對敏感。 在本應用指南中，我們研究了外部上拉和下拉電阻對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影響設計中輸出的電壓水平，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、有關概念
VOH:輸出高電壓電平范圍—與輸出電流有關（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:自動雙向電平轉換器，支持開漏（2Mbps）和推挽（24Mbps）輸出
RS020x:自動雙向電平轉換器，僅支持推挽（100Mbps）輸出
開漏輸出:此處的開漏輸出指的是電平轉換IC兩端芯片（主控和外設）輸出口的輸出模式，即主控和外設的輸出口僅有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換IC兩端芯片（主控和外設）輸出口的輸出模式，即主控和外設的輸出口是CMOS管。
注意：電平轉換芯片支持兩種輸出模式，差別在于支持的速率不同，芯片內部結構完全一致。開漏和推挽輸出的對象是電平轉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 系列轉換器集成了內部上拉電阻，用于在驅動邏輯高時保持輸出。 RS0101、RS0102、RS0104和RS0108 轉換器的內部上拉電阻固定為 10 kΩ。有關輸出配置的簡化圖，請參見圖 1。
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圖1 RS010x系列簡化示意圖
One-shot加速電路旨在瞬間增加過渡邊緣的驅動強度。 當處于直流穩定狀態時，輸出由內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影響輸出的變化過程。 為了演示由此產生的變化，在1kΩ 至 100 kΩ 的三個不同上拉和下拉電阻值范圍內測量了 RS010x的輸出。有關測試設置，請參見圖 2。
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圖2 RS010x測試設置
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 中的結果說明了上拉電阻對RS010x類型轉換器的VOL電平的變化。 由于外部上拉電阻與內部 10 kΩ 并聯組合，同時驅動低電平，因此沒有上拉電阻的基線VOL為 20 mV，而使用 1kΩ 上拉電阻的VOL為220 mV。這歸因于通過傳輸晶體管的額外電流，導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，如果換成100kΩ，VOL又會回到接近20mV的水平，此時并聯后結果接近10kΩ。
外部上拉電阻會對I/O端注入額外的電流（即Sink電流），導致VOL電壓的抬升，增加的幅度取決于外部驅動器件的電流吸收能力和內部傳輸晶體管的電阻。對比測試結果請參考表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 中的結果說明了下拉電阻對RS010x類型轉換器的VOH電平的變化。 沒有上拉電阻的基線 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。內部上拉電阻和外部下拉電阻構成了一個分壓網絡，導致VOH下降。 下拉電阻對VOH的負面影響說明了為什么RS010x系列轉換器只能用于驅動高阻抗負載。結果匯總見表 2。
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2.3總結
RS010x轉換器可以與外部上拉電阻一起使用，而不會對輸出電壓電平產生重大影響，前提是驅動設備能夠吸收額外灌入的電流，并且內部傳輸晶體管上的壓降不顯著。 而外加下拉電阻會導致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，電阻的值需要在100kΩ以上。下拉電阻對 VOH 電平的負面影響也說明了為什么RS010x系列轉換器只能用于驅動高阻抗負載
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3、RS020x系列外接電阻分析
RS020x系列轉換器旨在驅動高阻抗負載，在DC穩態時輸出由4kΩ緩沖器驅動。在本節中，將研究外部電阻器對轉換器的VOH和 VOL 電平的影響。 圖8顯示了RS020x 的簡化示意圖。
圖8 RS020x系列簡化示意圖
3.1、RS020x上拉電阻分析
如果外接了上拉或下拉電阻，則會與 4kΩ 緩沖電阻形成電阻分壓網絡，從而導致 VOH 和 VOL 的電平發生變化。 RS0202的輸出是在三種不同的上拉和下拉電阻配置范圍內測量的，從4.7 kΩ到47kΩ到100 kΩ。 測試原理圖請參考
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圖9 RS020x測試設置
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中的結果說明了上拉電阻對RS020x類型轉換器的VOL電平的影響。 沒有上拉電阻的基線 VOL 為 -20 mV，而使用 4.7kΩ 上拉電阻的 VOL 為 1.71 V。 當上拉為47kΩ時，VOL為300mV，100kΩ的時候為140mV。結果匯總見表 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中的結果說明了下拉電阻對RS020x類型轉換器的VOH電平的影響。 沒有上拉電阻的基線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 VOH 電平的負面影響說明了為什么RS020x系列轉換器只能用于驅動高阻抗負載。 結果匯總見表 4。
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RS020x轉換器不得使用小于 50 kΩ 的上拉和下拉電阻器，因為內部的4 kΩ輸出緩沖電阻和外部電阻會形成一個電阻分壓網絡。VOL和VOH的值可以由以下等式估算：
其中VCCO為對應輸出口的供電電壓值VCCA/VCCB。
3.3總結
根據以上結果，只有弱上拉或下拉電阻 (> 50 kΩ) 才能和RS020x器件一起使用。 如果需要更強的外部上拉電阻，請參考RS010x系列。
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3、結語
RS010x和RS020x電平轉換芯片由于其內部有用于維持直流電平的內置電阻，因此他們對外圍電阻比較敏感，使用時要尤其注意。
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