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I2C-Pull-Up-Widerstands-Rechner

Berechnen Sie die I2C-Pullup-Widerstandswerte für die Modi Standard (100 kHz), Fast (400 kHz) und Fast-Plus (1 MHz). Leitet den minimalen, maximalen und empfohlenen Widerstand aus der Versorgungsspannung und der Buskapazität pro NXP UM10204 ab.

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Formel

R_{max} = \frac{t_r}{0.8473 \cdot C_{bus}}, \quad R_{min} = \frac{V_{DD} - V_{OL}}{I_{OL}}, \quad R_{rec} = \sqrt{R_{min} \cdot R_{max}}

Referenz: NXP I2C-bus specification and user manual, Rev. 7.0 (UM10204), §7.1

R_{max}— Maximum pull-up resistance (rise time limit) (Ω)
R_{min}— Minimum pull-up resistance (sink current limit) (Ω)
R_{rec}— Recommended pull-up (geometric mean) (Ω)
t_r— Maximum rise time for speed mode (ns)
C_{bus}— Total bus capacitance (pF)
V_{DD}— Supply voltage (V)
V_{OL}— Maximum output-low voltage (0.4 V) (V)
I_{OL}— Sink current (3 mA std/fast; 20 mA fast-plus) (A)

Wie es funktioniert

Die I2C-Bus-Kommunikation basiert auf Open-Drain-/Open-Collector-Treibern, die Pullup-Widerstände benötigen, um den Standard-HIGH-Zustand herzustellen. Diese Widerstände sind entscheidend für die Bestimmung der Signalintegrität, der Anstiegszeit und der Eigenschaften der Buskapazität. Der Pullup-Widerstand muss sorgfältig ausgewählt werden, um zwei Haupteinschränkungen auszugleichen: Mindeststrom, um einen logischen HIGH-Zustand zu gewährleisten, und maximaler Widerstand, um schnelle Signalübergänge zu gewährleisten. Die Berechnung beinhaltet das Verständnis der Buskapazität, der Versorgungsspannung und der für den I2C-Modus spezifischen elektrischen Parameter. Pullup-Widerstände erzeugen einen Strompfad, der die Buskapazität auflädt, wobei der Widerstandswert die Signalanstiegszeit und die Störfestigkeit direkt beeinflusst. Verschiedene I2C-Modi (Standard, Fast und Fast Plus) haben unterschiedliche elektrische Spezifikationen, die sich auf die Auswahl der Widerstände auswirken.

Bearbeitetes Beispiel

Stellen Sie sich einen Fast-Mode-I2C-Bus mit 5-V-Versorgung und einer Gesamtkapazität von 100 pF vor. Berechnen Sie zunächst den maximalen Widerstand: t_rise beträgt typischerweise 300 ns, also Rmax = 300 ns/(0,8473 × 100 pF) = 3,55 kΩ. Für einen minimalen Widerstand bei einem typischen Senkenstrom von 3 mA und einer Versorgung von 5 V gilt: Rmin = (5 V — 0,4 V)/0,003 A = 1,53 kΩ. Der empfohlene Pullup-Widerstand entspricht dem geometrischen Mittelwert: √ (3,55 kΩ × 1,53 kΩ) ≈ 2,4 kΩ. Ein Standardwiderstand von 2,2 kΩ oder 2,7 kΩ würde in diesem Szenario gut funktionieren.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie Widerstände mit einer Toleranz von 1% für eine gleichbleibende Busleistung
  • ✓Erwägen Sie das Hinzufügen einer parallelen Terminierung für lange Busspuren
  • ✓Messen Sie die tatsächliche Anstiegszeit mit einem Oszilloskop, um theoretische Berechnungen zu validieren

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung identischer Pullup-Widerstände für verschiedene I2C-Modi ohne Neuberechnung
  • ✗Vernachlässigung der gesamten Buskapazität, einschließlich parasitärer Kapazitäten aufgrund langer Leiterbahnen
  • ✗Annahme einer linearen Beziehung zwischen Widerstand und Anstiegszeit

Häufig gestellte Fragen

Pull-Up-Widerstände stellen in Open-Drain-I2C-Buskonfigurationen den Standard-HIGH-Zustand her. Sie bieten einen Strompfad zum Laden der Buskapazität und sorgen für eine zuverlässige Logiksignalisierung.
Eine höhere Buskapazität erfordert einen niedrigeren Widerstand, um schnelle Anstiegszeiten aufrechtzuerhalten. Eine erhöhte Kapazität aufgrund längerer Leiterbahnen oder mehrerer Geräte beeinträchtigt die Signalintegrität.
Nein, verschiedene I2C-Modi (Standard, Fast, Fast Plus) haben unterschiedliche elektrische Eigenschaften, die eine Neuberechnung des Pull-Up-Widerstands erfordern.
Ein zu hoher Pull-Up-Widerstand führt zu langsamen Signalanstiegszeiten, was möglicherweise gegen die I2C-Timing-Spezifikationen verstößt und zu Kommunikationsfehlern führt.
Wählen Sie den Standardwert, der dem berechneten Widerstand am nächsten kommt, und bevorzugen Sie niedrigere Werte für schnellere Anstiegszeiten und eine höhere Störfestigkeit.

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