Calculadora de pull up para I2C

Por qué el 4,7k de siempre a veces no sirve

Esta es la pregunta con la que llega casi todo el mundo, así que va primero. El 4,7 kΩ no es un valor universal: es el valor que funciona en el bus corto y lento en el que todos empezamos. Un OLED pegado al microcontrolador, dos cables de diez centímetros, 100 kHz. Ahí el 4,7 kΩ anda perfecto, y como anduvo una vez queda grabado como si fuera la respuesta.

El problema aparece cuando el bus crece. La resistencia de pull up y la capacitancia del bus forman una RC, y esa RC decide cuánto demora la línea en volver a nivel alto cuando nadie la está tirando abajo. Más capacitancia es más lento; más resistencia también.

Y lo peor de este modo de fallar es que no falla del todo. Falla a veces. El escáner de direcciones encuentra el sensor una de cada tres veces, la lectura se congela cada tanto, mueves el cable y anda de nuevo. Como el síntoma es intermitente, casi nadie sospecha de la resistencia: se sospecha del sensor, del cable, de la librería, de la fuente. La resistencia es la última en la lista y suele ser la culpable.

El pull up no tiene un valor: tiene una ventana

Esa es la idea que cambia todo. Hay un piso y un techo, y vienen de dos cosas que no tienen nada que ver entre ellas. Cualquier valor entre los dos funciona; los dos límites se calculan y ninguno se adivina.

El piso lo pone la corriente que el chip puede hundir

En I2C nadie pone un uno en la línea. Los dispositivos solo saben tirar la línea a cero, y el uno lo pone la resistencia de pull up: por eso se llama bus de colector abierto. Para marcar un cero, el chip tiene que tragarse toda la corriente que baja por el pull up, y la norma solo le exige llegar hasta 0,4 V mientras no le pidan más de 3 mA (20 mA en el modo rápido plus).

Con 3,3 V eso da 966,7 Ω, y con 5 V sube a 1,533 kΩ. Bajo ese piso el chip ya no consigue bajar la línea lo suficiente y el bus deja de leerse, aunque el flanco de subida sea perfecto. Además, menos resistencia es más consumo permanente, cosa que importa en cualquier cosa a pila.

El techo lo pone el tiempo

Cuando el chip suelta la línea, esta sube sola a través del pull up cargando la capacitancia del bus. Es una exponencial, y la norma le pone un plazo: 1000 ns a 100 kHz, 300 ns a 400 kHz, 120 ns a 1 MHz.

Y de dónde sale la capacitancia

Los 10 pF por dispositivo son el máximo por pin que la norma le permite a un chip. Los 60 pF por metro son lo típico de un cable dupont o de cinta plana; un par trenzado con la señal apareada a tierra puede ser bastante peor, y una pista corta en placa impresa bastante mejor. Un protoboard suma entre 10 y 30 pF por su cuenta. Es una estimación y la herramienta lo dice: la capacitancia real se mide, no se deduce.

El 4,7k en cinco buses reales

Los números salen de la misma calculadora de arriba, con 3,3 V de bus. Fíjate en que el 4,7 kΩ no cambia: lo que cambia es el bus.

Qué resistencia va según el largo del cable

Cuatro dispositivos, 3,3 V, y lo único que cambia es cuánto cable hay. Cada celda trae el valor recomendado y su SKU, y donde el bus no cierra, lo dice.

Lo que se ve en esa tabla es la regla completa en una imagen: más cable o más velocidad piden menos resistencia, hasta que la ventana se cierra y ninguna resistencia sirve. En la última fila del modo rápido plus el bus derechamente no cierra, y ahí la salida no es comprar otra resistencia: es acortar el cable, bajar la velocidad o separar el bus con un buffer.

El voltaje mueve el piso, no el techo

El techo es idéntico en las tres filas porque solo depende del tiempo y de la capacitancia, y ninguno de los dos cambia con el voltaje. El piso sí sube, porque a más voltaje baja más corriente por la misma resistencia. Por eso un bus de 5 V necesita resistencias algo más grandes que uno de 3,3 V para hundir la misma corriente.

Los pull up que ya traen los módulos

Casi todo módulo I2C de aficionado trae sus dos resistencias a bordo, de 4,7 kΩ o de 10 kΩ. Nadie las cuenta, y todas se suman en paralelo.

Un ejemplo concreto: tres dispositivos, 30 cm de cable, 400 kHz, dos módulos con 10 kΩ a bordo. El cálculo pide 3,3 kΩ, pero con los dos módulos en paralelo el bus termina viendo 1,988 kΩ. El flanco queda en 80,85 ns y la corriente hundida sube a 1,459 mA.

Con dos módulos casi nunca es fatal. Con cuatro o cinco ya te empuja bajo el piso de corriente, y ahí el bus falla por el otro lado. La práctica normal es dejar un solo par de pull up en todo el bus: se desueldan o se cortan los puentes de los módulos y se monta un par de resistencias al principio de la línea. Los campos de ajuste fino de la calculadora tienen esa cuenta.

Cinco síntomas de un pull up mal elegido

1. El escáner de direcciones encuentra el chip a veces. Corres el escáner tres veces y aparece dos. Eso es un flanco al filo del límite, no un sensor malo.
2. Funciona con cable corto y falla al alargarlo. Es el caso de manual: cada metro suma unos 60 pF y el flanco se alarga en proporción.
3. Funciona a 100 kHz y falla a 400 kHz. Bajar la velocidad triplica el presupuesto de tiempo. Si baja la velocidad y anda, el problema es el flanco, o sea el pull up o la capacitancia.
4. Anduvo hasta que agregaste otro módulo. Cada dispositivo suma capacitancia y, si trae pull up a bordo, además baja la resistencia efectiva. Las dos cosas a la vez.
5. El bus se cuelga con la línea trabada en cero. Eso ya no es tiempo de subida: es que el pull up quedó tan chico que el chip no alcanza a soltar la línea, o que un esclavo quedó a medio ciclo. Con la resistencia bajo el piso de la tabla, sospecha de lo primero.

Lo que esta calculadora no hace

Una calculadora honesta declara sus límites. Esta trabaja con una estimación de la capacitancia y con el modelo RC de primer orden que usa la propia norma. De ahí salen tres advertencias:

• La capacitancia real puede ser bastante distinta. Depende del ruteo, del tipo de cable, de si la señal va apareada a tierra y de los conectores. Si el bus falla con la resistencia bien elegida, el paso siguiente es mirar el flanco de SCL con un osciloscopio o un analizador lógico.
• No modela pull up activos ni buffers. Los chips con pull up conmutado (los que dan un empujón de corriente al principio del flanco) y los repetidores de bus cambian las reglas: con ellos el techo deja de venir de esta fórmula.
• No sabe qué soporta tu chip en particular. Los 3 mA y los 20 mA son lo que la norma garantiza; tu microcontrolador puede soportar más, y su hoja de datos manda por sobre esta página. El modo rápido plus, en especial, exige componentes que lo declaren.

El único error que quema algo

Los valores que recomienda esta calculadora

Los 14 valores del listado son de la serie E24, la de tolerancia 5% que hay en cualquier caja de repuestos, y son los que tenemos sueltos en el rango en que vive un pull up de I2C: de 1 kΩ a 22 kΩ. Si el cálculo pide algo fuera de ese rango, la calculadora te dice cuál es el valor E24 que corresponde y que no lo tenemos, en vez de mandarte el más parecido.

Y siempre van dos: una para SDA y otra para SCL. Es el error de montaje más común después del voltaje, y deja el bus con una línea que nunca vuelve a nivel alto.

Preguntas frecuentes