で
I2C、I3C、および SPI 用の 4 ビット レベル シフタ: ETEK ETF0104 による自動双方向 0.95V ～ 5.0V 電圧変換
2026/11/06 
あ I2C用の4ビットレベルシフタ また、マルチシグナル ペリフェラル バスは、0.95V、1.2V、または 1.8V コア I/O で動作する低電圧ホスト プロセッサが、従来の 3.3V または 5.0V センサー、EEPROM、電源管理 IC、および通信トランシーバーと確実に通信する必要がある場合に不可欠です。最新の SoC と FPGA は消費電力を削減するためにトランジスタの形状を縮小しているため、I/O バンクは 3.3V または 5.0V のプルアップ電圧を直接許容できなくなりますが、周辺デバイスはノイズ耐性のために依然として高いロジックしきい値を必要とします。
ソフトウェアの方向制御や大型のディスクリート MOSFET アレイを使用せずにこれらの電圧ドメインをブリッジするには、 ETEK マイクロエレクトロニクス を開発した ETF0104、両方をサポートする 4 チャンネル自動双方向マルチ電圧レベル変換器 オープンドレイン (I²C、I3C、MDIO、SMBus) および プッシュプル (SPI、UART、I2S、SDIO、DMIC、GPIO) インターフェイス 0.95V～3.3V～1.62V～5.0V 最大データレートで 40MHz.
この記事では次のことを学びます:
- 混合電圧 I²C、I3C、および SPI バスに自動双方向 4 ビット レベル シフタが必要な理由
- ETF0104 の低 RON パススイッチ アーキテクチャが DIR ピンを使用せずに信号を上下に変換する仕組み
- 最大データレートと安全なシンク電流のためのプルアップ抵抗値を計算する方法
- パッケージ オプション (TSSOP14、2.0 mm × 1.7 mm QFN12、1.6 mm × 1.6 mm QFN12) および PCB レイアウトのガイドライン
I2C およびマルチ信号インターフェイス用の 4 ビット レベル シフタとは何ですか?
あ I2C用の4ビットレベルシフタ は、低電圧ポート (A1 ～ A4、REF_A を基準) と高電圧ポート (B1 ～ B4、REF_B を基準) の間でデジタル ロジック レベルを変換する 4 チャネル双方向電圧変換 IC です。 4 つの独立した自動方向チャネルを 1 つのパッケージに統合しているため、ホスト MCU からの方向制御ピンを必要とせずに、1 つの IC で 2 つの個別の I²C バス (SDA1/SCL1 および SDA2/SCL2)、I²C バスと 2 つの割り込み/リセット GPIO、または完全な 4 線式 SPI / UART / I2S インターフェイスを変換できます。
混合電圧バス変換における 3 つのエンジニアリング上の課題
1. ハードウェア DIR ピンを使用しない方向反転
I²C、I3C、MDIO、SDIO などのプロトコルは、同じワイヤ上でデータを双方向に転送します。たとえば、コントローラがアドレス バイトを送信した直後にペリフェラルが SDA を LOW にして ACK ビットを送信する場合です。方向制御レベルシフタは、専用の方向信号がなければ十分に高速に切り替えることができませんが、バッファ付きワンショットトランスレータは、同じIC上でオープンドレイン負荷とプッシュプル負荷の両方を駆動する場合に苦労することがよくあります。
2. 高いRONとチャネル・スキューによるシグナル・インテグリティの損失
ディスクリート MOSFET レベル シフタと高インピーダンス トランスレータでは、数十オームの直列抵抗と不整合なチャネル遅延が発生します。 40 MHz SPI、I3C、または I2S オーディオ クロックなどの高速インターフェイスでは、過剰なオン抵抗 (RON) によって低レベル出力電圧 (VOL) が増加し、ノイズ マージンが低下します。また、チャネル間スキュー (tsk) により、クロックとデータ ライン間のセットアップおよびホールド タイミングが損なわれます。
3. コンパクトなハードウェアにおける基板スペースと配線の混雑
ディスクリート SOT-23 MOSFET と 8 つのプルアップ抵抗を備えた 4 つの双方向レベルシフト チャネルを実装すると、かなりの PCB 面積が消費され、交差するトレース スタブが必要になります。コンパクト サーバー、パーソナル コンピューター、産業用コントローラー、ウェアラブル ハブには、ミリメートル スケールのパッケージのフロースルー ピン配置が必要です。
ETF0104 4 ビット レベル シフタの仕組み
の ETF0104 2 つの基準電源ピンによって制御される電圧クランプ型パストランジスタ スイッチ アーキテクチャを使用します。REF_A (VCCA、低電圧側から 0.95V～3.3V） そして REF_B （VCCB、高圧側から 1.62V～5.0V) - アクティブ High イネーブル入力 (で).
シームレスなアップトランスレーションおよびダウントランスレーション ロジック
詳細に記載されているように、 ETF0104 データシート (Rev 1.3)、各チャネル (An ↔ Bn) は、ポートの瞬時電圧に基づいてスイッチ状態を自動的に調整します。
| 信号の方向 | 入力状態 | パススイッチ状態 | 電気的機能 |
|---|---|---|---|
| B から A (ダウントランスレーション) | Bn = 低 | の上 (ローインピーダンス) | ポートは、Bn ポート電圧と一致するように、低 RON スイッチを通じて LOW にプルされます。 |
| B から A (ダウントランスレーション) | Bn = 高 | オフ (ハイインピーダンス) | スイッチがオフになります。ポート電圧は VREF_A で安全にクランプされます |
| A から B (アップトランスレーション) | An = 低 | の上 (ローインピーダンス) | Bn ポートは、An ポートの電圧と一致するように、低 RON スイッチを通じて LOW にプルされます。 |
| A から B (アップトランスレーション) | An = 高 | オフ (ハイインピーダンス) | スイッチがオフになります。 Bn ポートはハイサイド プルアップ電源 (VPU) にプルアップされます。 |
EN = LOW の場合、4 つのデータ チャネルすべてが入力されます。 ハイインピーダンス（Hi-Z）状態、電源シーケンス中または描画中のスタンバイ中に A 側と B 側のバスを分離します。 0.01μA（代表値） (最大2μA) シャットダウン電流。常に有効な動作の場合、EN を REF_A に直接接続できます。
超低 3.0 Ω オン状態抵抗 (RON) により歪みを最小限に抑えます
どちらかの側がラインを LOW にすると、ETF0104 は、最大で 64 mAの連続パストランジスタ電流 (IPASS、絶対最大定格 100mA):
- VCCA = 3.3V、VCCB = 5.0V (VI = 0V、IO = 64mA): ロン = 3.0Ω（代表値） (最大7.0Ω)
- VCCA = 2.5V、VCCB = 5.0V (VI = 0V、IO = 32mA): ロン = 3.0Ω（代表値） (最大8.0Ω)
- VCCA = 1.8V、VCCB = 3.3V (VI = 0V、IO = 3mA): ロン = 3.71Ω（代表値） (最大10Ω)
- VCCA = 1.2V、VCCB = 3.3V (VI = 0V、IO = 3mA): ロン = 4.52Ω（代表値） (最大10Ω)
- VCCA = 1.0V、VCCB = 5.0V (VI = 0V、IO = 64mA): ロン = 5.0Ω（代表値） (最大10Ω)
この低い RON により、I²C ACK パルスおよび高速プッシュプル遷移中にトランスレータでの電圧降下が無視できる程度に保たれ、バスの両側で完全な VIL ノイズ マージンが維持されます。
最大 40 MHz のデータレートとサブナノ秒の伝播遅延
ETF0104 は内部ラッチ バッファのないパッシブ スイッチ トランスレータであるため、スイッチを通過する伝播遅延は非常に短く、チャネル間スキュー (tsk) はわずかです。 0.2ns（代表値） (最大0.5ns):
- ダウントランスレーション (3.3V → 1.8V、CL = 20pF): tPLH = 0.3 ns（代表値）（最大 1.2 ns）。 tPHL = 0.4 ns (代表値) (最大 2.0 ns)
- ダウントランスレーション (5.0V → 3.3V、CL = 20pF): tPLH = 0.8 ns（代表値）（最大 1.2 ns）。 tPHL = 0.4 ns (代表値) (最大 1.5 ns)
- アップトランスレーション (1.8V → 3.3V、CL = 20pF): tPLH = 0.6 ns（代表値）（最大 1.0 ns）。 tPHL = 1.2 ns（代表値）（最大 3.0 ns）
- アップトランスレーション (1.2V → 1.8V、CL = 20pF): tPLH = 1.1 ns（代表値）（最大 1.5 ns）。 tPHL = 1.7 ns（代表値）（最大 3.0 ns）
- 最大送信周波数 (fMAX): 最小 40 MHz (RUP = 100 Ω、CL = 30 pF)、標準/高速/高速モード プラス I²C、I3C、MDIO、UART、I2S、および SPI インターフェイスを簡単にカバーします。
ETF0104の主な仕様とパッケージの比較
| パラメータ | 試験条件 | ETF0104 仕様 (標準 / 最大) | システム設計の利点 |
|---|---|---|---|
| チャンネル | 自動双方向（A1～A4 ↔ B1～B4） | 4 チャンネル (DIR ピンは不要) | 2× I²C バスまたは 1× 4 線式 SPI/UART バスを変換 |
| ローサイド電源 (REF_A) | VCCA (システム内の最低電圧) | 0.95V～3.3V（0.9V～5.5V動作） | サブ 1V および 1.2V/1.8V SoC と直接インターフェイスします |
| ハイサイド電源 (REF_B) | VCCB (VCCB ≧ VCCA + 0.8V) | 1.62V ～ 5.0V (最大 5.5V 動作) | 1.8V、2.5V、3.3V、5V TTL/CMOS バスをサポート |
| オン状態抵抗 (RON) | VCCA = 3.3V、VCCB = 5V、IO = 64mA | 3.0Ω標準 / 7.0Ω最大 | 最小限の VOL オフセットと信号歪み |
| 最大伝送速度 (fMAX) | RUP = 100Ω、CL = 30pF | 40MHz | I²C、I3C、SPI、MDIO、UART、I2S、SDIOをサポート |
| チャネル間のスキュー (tsk) | CL = 20pF / 50pF | 0.2ns（標準）/0.5ns（最大） | 同期バスでクロックからデータへのタイミングを維持 |
| スタンバイ/シャットダウン電流 | ICC (EN = H) / Ioff (EN = L) | 0.01μA（標準）（5μA / 2μA最大） | ほぼゼロの静的消費電力 |
| 入出力容量 | CIO(オフ) (EN = 0V) / CIO(オン) (EN = 3V) | 4.0pF（typ） / 12pF（typ） | I²C/I3C バスの低容量性負荷 |
| ESDおよびラッチアップ定格 | JEDEC JS-001 / JS-002 / JESD78F | ±2000V HBM、±1000V CDM、>±100mA HIGH | 産業グレードの堅牢性 (-40°C ～ +85°C) |
3 つの ETF0104 パッケージ バリアントはすべて、 フロースルーピン配列 (片側に A1 ～ A4、反対側に B1 ～ B4)、直線の PCB トレース配線を簡素化します。
| 部品番号 | パッケージの種類 | 本体寸法 | ピンピッチ | GND / REF_A / REF_B / EN ピン | A1-A4 / B1-B4 ピン | 梱包とMSL |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ETF0104V | TSSOP14 | 5.0mm×4.4mm | 0.65mm BSC | ピン 7 (GND)、ピン 2 (REF_A)、ピン 14 (REF_B)、ピン 8 (EN) | ピン 3 ～ 6 (A1 ～ A4) / ピン 10 ～ 13 (B1 ～ B4) | 4K/リール、MSL 3 |
| ETF0104Y1 | QFN12 | 2.0mm×1.7mm | 0.40mmタイプ | ピン6 (GND)、ピン1 (REF_A)、ピン11 (REF_B)、ピン12 (EN) | ピン 2 ～ 5 (A1 ～ A4) / ピン 7 ～ 10 (B1 ～ B4) | 3K/リール、MSL 1 |
| ETF0104Y4 | QFN12 | 1.6mm×1.6mm | 公称0.40mm | ピン5 (GND)、ピン12 (REF_A)、ピン10 (REF_B)、ピン11 (EN) | ピン 1 ～ 4 (A1 ～ A4) / ピン 6 ～ 9 (B1 ～ B4) | 3K/リール、MSL 1 |
(注: TSSOP14 では ETF0104V、ピン 1 と 9 は、 ノースカロライナ州 [接続されていません]。図 1 と「ピン機能表」を参照してください。 ETF0104 データシート PCB フットプリントを作成するとき。)
プルアップ抵抗の選択と PCB 設計ガイドライン
- VCCA (REF_A) を最低電源電圧として維持します。REF_A は内部スイッチのクランプしきい値を設定し、常に最低インターフェイス電圧 (0.9V ≤ VCCA ≤ 5.5V) に接続する必要がありますが、REF_B はより高い電源 (標準バイアス構成では VCCB ≥ VCCA + 0.8V) に接続します。
- アップ変換とダウン変換のプルアップ抵抗を構成します。
- アップトランスレーション (A から B): ハイサイド プルアップ電源 (VPU ≤ VCCB) へのプルアップ抵抗 (RB) は次のとおりです。 B 面では常に必要です An が HIGH になるとパス スイッチがオフになるためです。 A 側 (RA) のプルアップ抵抗は、A 側ドライバがオープンドレイン (I²C など) であるか、入力リークが 1 µA を超える場合にのみ必要です。
- ダウン変換のみ (プッシュプル ドライバーを使用した B から A): チャネルがプッシュプル B 側トランスミッタから低リーク (< 1 µA) CMOS A 側レシーバまで下方向にのみ変換される場合、そのチャネルでは外部プルアップ抵抗を省略できます。
- データ レートとドライバ シンク電流 (IOL) のバランスを取る:
- 最大データ レートは、立ち上がりエッジ中の B 側 RC 時定数によって決まります: fMAX ≈ 1 / (6 × RB1 × CB1)
- ラインを LOW にプルする場合、アクティブ ドライバは両方のプルアップ抵抗からの合成電流をシンクする必要があります: IOL ≈ (VCCA / RA1) + (VCCB / RB1)
- 標準の 400 kHz ～ 1 MHz I²C バスの場合、プルアップ値は次のとおりです。 1kΩと4.7kΩ シンク電流を I²C ドライバの制限内に十分に保ちながら、きれいな立ち上がりエッジを提供します。高速マルチメガヘルツリンクの場合、抵抗値が低い（100 Ω ～ 220 Ωまで）と立ち上がり時間が短縮されます（RUP = 220 Ω、CL = 50 pF で tR ≈ 10 ns）。
- REF_B と REF_A をローカルで切り離します。 を置きます 0.1 µF セラミック フィルタ コンデンサ REF_B ピンと REF_A ピンの近くに配置して、高速マルチチャネル スイッチング中にバイアス リファレンスを安定させます。
2 チャネルまたは 8 チャネルのトランスレータ、または専用の SIM カード インターフェイスが必要ですか?探検してください ETF0102 2ビット双方向レベルシフタに関する記事をお読みください。 ETS0108 8チャンネル双方向レベルシフタ そして ET4559 SIMカードレベルトランスレータ、またはETEKの全文を閲覧してください レベルシフタIC製品ライン.
よくある質問
ETF0104 が I2C および I3C バスの 4 ビット レベル シフタとして適しているのはなぜですか?
ETF0104 は、パッシブ低 RON (標準 3.0 Ω) スイッチ アーキテクチャを使用しており、両方をサポートします。 オープンドレインとプッシュプル 方向制御ピンを使用しない信号送信。 I²C ACK ハンドシェイクまたは I3C ダイナミック スイッチング中にバス競合を引き起こす可能性のある内部ワンショット出力ドライバーがないため、信号はサブナノ秒の遅延で双方向に流れます。
1 つの ETF0104 で、オープンドレイン I2C ラインとプッシュプル GPIO または SPI 信号の両方を同時に変換できますか?
はい。 4 つのチャネル (A1 ～ A4 ↔ B1 ～ B4) はすべて、共有 REF_A 電圧ドメインと REF_B 電圧ドメイン間で独立して動作します。たとえば、2 つのチャネルは両側にプルアップ抵抗を備えたオープンドレイン I²C バス (SDA、SCL) を変換でき、残りの 2 つのチャネルはプッシュプル割り込み、チップセレクト、または UART 信号を変換できます。
ETF0104 がサポートする最小電圧はいくらですか?
低電圧基準電源 REF_A (VCCA) は、最大の双方向変換をサポートします。 0.95V (アプリケーション動作条件は 0.9V ～ 5.5V に指定)、REF_B (VCCB) はサポート 1.62V～5.0V (最大5.5V)。これにより、1.0V/1.2V/1.8V コアロジックと 1.8V/2.5V/3.3V/5.0V ペリフェラル間の直接変換が可能になります。
EN ピンはパワーアップ時とパワーダウン時にどのように動作しますか?
EN ピンが LOW になると (VIL(EN) ≤ 0.3 × VCCA)、A 側および B 側の 4 つの I/O ポートすべてがハイ インピーダンス (Hi-Z) 状態になり、シャットダウン電流は 0.01μA（代表値）。 EN を HIGH (VIH(EN) ≥ 0.7 × VCCA) にするか、EN を REF_A に直接接続すると、すべてのチャネルにわたる双方向変換が可能になります。
結論: 小さな設置面積での柔軟な 4 チャンネル電圧変換
0.95V ～ 5.0V ドメインにわたる 2 つの I²C バス、I3C センサー インターフェイス、または 4 線式 SPI リンクをブリッジしている場合、 ETF0104 低歪みで方向性のない信号を提供します。 I2C用の4ビットレベルシフタ TSSOP14 および超小型 QFN12 パッケージのプッシュプル インターフェイス。
👉 にアクセスしてください。 ETF0104商品ページをダウンロードしてください。 ETF0104 データシート、または ETEK を探索してください レベルシフターICポートフォリオ
✉️ リクエストサンプル: https://www.etekmicro.com/sample
