为什么I2C设计为使用上拉电阻而不使用下拉电阻？

我了解在I2C中，SCL和SDA线使用上拉电阻，并且引脚驱动器是开路集电极NPN器件，可以将引脚驱动到地。这给I2C带来了一个优势，即同一根总线现在可以与多个从机共享，即使两个或多个从机意外尝试同时驱动该总线，也不会对系统造成任何损害。

但这也可以通过在SDA和SCL线上使用PNP开漏驱动器和下拉电阻来完成。时钟延展和多主机仲裁之类的事情也可以实现。

I2C协议的当前实现是否比上述建议的替代实现有任何好处？

从电气上讲，这是有意义的，因为接地是IIC总线上所有设备的通用连接。与强制电源成为所有IIC设备的通用连接相比，这要少得多的限制，如果通过下拉将线驱动为高电平并将其浮动为低电平，则需要这样做。

请注意，IIC设备并不需要全部由相同的网络或相同的电压供电。如果必须将两条总线都驱动到单个公共电源电压，则情况并非如此。

在过去的好日子里，TTL驱动器在拉低信号方面比拉高信号要好得多。因此，诸如I2C之类的协议，以及中断线，复位等协议，都使用具有分布式下拉功能的上拉实现。

在可能具有变化的电源电压的子系统之间，更容易使用接地作为公共参考。如果使用PNP晶体管上拉至电源电压，则所有子系统都必须连接到同一电源。

这里有很多好的答案，但是还有另一个原因。

如果总线的静态状态为地面，则无法判断总线是否已连接或仅悬挂在太空中。

上拉通常位于主设备上。从站通常没有上拉。这是因为断言低电平所需的下拉电流会随着连接到总线的设备数量的增加而增加。

从属设备插入总线后，可以检测到该线被拉高（假设未使用），并知道该总线实际上在那儿并且安静。带有接地偏置总线的情况并非如此。

如果我正确地理解了问题，一方面是：

• 为什么使用上拉电阻和NPN晶体管代替下拉电阻和PNP晶体管？

首先，您应该注意的是，您没有使用双极晶体管（NPN，PNP），而是使用了MOSFET（有四个不同的版本）。

使用“上拉和NPN ”变体的设备使用n沟道增强 MOSFET。由于该MOSFET的源极接地，因此栅极-源极电压（控制电流）等于栅极与地之间的电压。因此，可以使用介于0和Vdd之间的电压来控制MOSFET。

实现“ 下拉和PNP ”变体将有三种可能性：

• 使用p沟道增强MOSFET

  在NMOS或CMOS IC上，具有类似特性（电阻等）的p沟道MOSFET比n沟道MOSFET需要更多的空间。

  在微电子领域中，钱是有钱的，因此，尽可能避免使用p沟道MOSFET。

• 使用n沟道增强 MOSFET

  这将要求驱动晶体管的逻辑电路的输出具有电源电压的“低”电压（例如，+ 5V）和高于电源电压的“高”电压（例如，当电路的其余部分被提供时为+ 10V） + 5V）。

  原因：当MOSFET导通时，源极-地电压将为Vdd。栅极-源极电压必须为正，因此栅极与地之间的电压甚至必须更高。

  您将需要两个电源-一个电路将逻辑电路的输出从0 ... + 5V转换为+ 5V ... + 10V ...

• 使用n沟道耗尽 MOSFET

  不幸的是，我不能告诉您太多有关此解决方案的信息。但是，我在Google的某页上发现，耗尽型MOSFET比增强型MOSFET更难生产，因此可以避免使用。

  我从功率电子器件（不是微电子学）知道，上述的“两个电源”变体甚至比耗尽型MOSFET更可取。（但是我不能告诉你为什么。）

  编辑使用n沟道耗尽MOSFET时，您可能需要一个负电压（例如-5V），因此您还需要两个电源电压...

具有公共接地线和上拉数据线（与具有公共VCC和下拉电路相比）还有另外一个好处：

即使最初的意图是仅在几英寸的跨度上将设备连接在同一块PCB上，它还是成功的，所以现在将线长几英尺并连接“设备”（可能是计算机或相等的设备）并不少见。某些设备具有自己的电源（质量不同，例如您将墙上插头供电的设备与电池供电的设备连接在一起），从而使设备变得非常复杂。更好的是，即使在不理想且超出规格的条件下，连接也“至少良好”。

而且许多此类连接的设备也可能通过其他方式以某种方式连接，仅通过I2C通信即可。通常，将设备连接在一起时，common ground有时会与它连接-有时是其他功能的一部分，有时仅仅是因为它安装在金属外壳上，并且这些设备也与外壳（或与普通散热器或类似的东西）接地连接。内有接地屏蔽的屏蔽电缆-也连接接地。

如果您还直接连接此类设备的电源线（VCC），则当这些电源线自然处于不同电压下时，您会遇到问题（请确保它在此处和那里可能表示5V，但取决于电源的构造和部分容差）如果它是由电池供电并且有时运行一些电动机，则功率可能也会变为4.9V或5.2V甚至变化，这会使功率随时间下降和上升。

在这种情况下，部分伏特的电源之间实际上会发生短路，并且根据电源（以及方式的阻力），可能会流过相对较高的电流，这不仅会导致能源浪费和热量上升，甚至会造成损坏（或缩短寿命）。哪个不好

具有共用的接地和上拉可以避免此类问题-接地，并且即使设备上的VCC相差很大，上拉电阻也仅允许很小的交叉电流。

如果上拉了，您不必通过芯片发送太多功率。

由于该芯片不驱动任何东西，它只是在制造短路以使总线为0，并在断开以使其为1。

如果拉低，则必须通过芯片发送功率以将总线驱动至1。如果总线偶然发生短路，则驱动该芯片以试图推动该总线可能会消耗大量功率最多1。

免责声明：目前，我是一个非常糟糕的EE。