Bi

W erze ENIAC komputery miały bardziej analogowy charakter i używały bardzo niewielu cyfrowych układów scalonych. Dzisiaj przeciętny komputer Joe pracuje z wieloma poziomami napięcia, ludzie, którzy widzieli SMPS procesora, zauważyliby, że twój komputer wymaga do działania ± 12 V, + 5 V i + 3,3 V. Te poziomy napięcia są bardzo ważne dla komputera; określone napięcie określa stan sygnału (wysoki lub niski). Ten stan wysoki jest akceptowany przez komputer jako binarny 1, a stan niski jako binarny 0. W zależności od stanu 0 i 1 komputer generuje dane, kody i instrukcje, aby zapewnić wymagane wyjście.

Współczesne poziomy napięcia w logice różnią się znacznie od 1,8 V do 5 V. Standardowe napięcia logiczne to 5 V, 3,3 V, 1,8 V itd. Ale, w jaki sposób system lub kontroler pracujący z poziomem logicznym 5 V (przykład Arduino) komunikuje się z innym systemem, który działa z napięciem 3,3 V (przykład ESP8266) lub innym innym poziom? Ten scenariusz często występuje w wielu projektach, w których stosuje się wiele mikrokontrolerów lub czujników, a rozwiązaniem jest tutaj użycie konwertera poziomów logicznych lub przesuwnika poziomów logicznych. W tym artykule dowiemy się więcej o konwerterach poziomów logicznych, a także zbudujemy prosty dwukierunkowy obwód konwertera poziomów logicznych za pomocą MOSFET, który będzie przydatny w projektach obwodów.

Napięcie wejściowe wysokiego i niskiego poziomu

Jednak od strony mikroprocesora lub mikrokontrolera logiczna wartość poziomu napięcia nie jest stała; ma z tym pewną tolerancję. Na przykład akceptowana wartość Logic High (logika 1) dla mikrokontrolerów poziomu logicznego 5 V wynosi od 2,0 V (minimalne napięcie wejściowe wysokiego poziomu) do maksymalnie 5,1 V (maksymalne napięcie wejściowe wysokiego poziomu). Podobnie, dla logiki niskiego poziomu (logika 0) akceptowana wartość napięcia wynosi od 0 V (minimalne napięcie wejściowe niskiego poziomu) do maksymalnie 8 V (maksymalne napięcie wejściowe niskiego poziomu).

Powyższy przykład dotyczy mikrokontrolerów poziomu logicznego 5 V, ale dostępne są również mikrokontrolery poziomu logicznego 3,3 V i 1,8 V. W tego typu mikrokontrolerach zakres napięcia logicznego będzie się zmieniać. Możesz uzyskać odpowiednie informacje z arkusza danych tego konkretnego kontrolera IC. Używając konwertera poziomów napięcia należy zwrócić uwagę, aby wartość wysokiego i niskiego napięcia mieściła się w granicach tych parametrów.

Dwukierunkowy konwerter poziomów logicznych

W zależności od zastosowania i konstrukcji technicznej dostępne są dwa typy przesuwników poziomów, jednokierunkowy konwerter poziomów logicznych i dwukierunkowy konwerter poziomów logicznych. W jednokierunkowych konwerterach poziomu piny wejściowe są dedykowane dla jednej domeny napięcia, a piny wyjściowe są dedykowane dla drugiej domeny napięcia, ale nie ma to miejsca w przypadku dwukierunkowych konwerterów poziomu, które mogą konwertować sygnały logiczne w obu kierunkach. W przypadku dwukierunkowych konwerterów poziomu każda domena napięcia ma nie tylko styki wejściowe, ale także styk wyjściowy. Na przykład, jeśli podasz 5,5 V po stronie wejściowej, przekształci je na 3,3 V po stronie wyjściowej, podobnie, jeśli podasz 3,3 V po stronie wyjściowej, zamieni je na 5 V po stronie wejściowej.

W tym samouczku zbudujemy prosty dwukierunkowy konwerter poziomów i przetestujemy go pod kątem konwersji z wysokiego na niski oraz z niskiego na wysoki.

Prosty dwukierunkowy konwerter poziomów logicznych

Na poniższym obrazku pokazano prosty dwukierunkowy obwód konwertera logicznego.

Obwód wykorzystuje n-kanałowy tranzystor MOSFET do konwersji poziomu logicznego niskiego napięcia na poziom logiczny wysokiego napięcia. Prosty konwerter poziomów logicznych można również zbudować za pomocą rezystancyjnych dzielników napięcia, ale spowoduje to utratę napięcia. MOSFET lub konwertery logiczne oparte na tranzystorach są profesjonalne, niezawodne i bezpieczniejsze w integracji.

Obwód wykorzystuje również dwa dodatkowe komponenty, R1 i R2. To są rezystory podciągające. Ze względu na najmniejszą liczbę części jest to również ekonomiczne rozwiązanie. W zależności od powyższego obwodu zostanie zbudowany prosty dwukierunkowy konwerter logiczny 3,3 V na 5 V.

Konwerter poziomu 5 V na 3,3 V za pomocą MOSFET

5V do 3.3V dwukierunkowego konwertera poziomów logiki obwodu widać na poniższym obrazie -

Jak widać, musimy zapewnić stałe napięcie 5V i 3,3V na rezystory R1 i R2. Piny Low_side_Logic_Input i High_Side_Logic_Input mogą być używane zamiennie jako piny wejściowe i wyjściowe.

Komponenty użyte w powyższym obwodzie to

R1 - 4,7 tys

R2 - 4,7 tys

Q1 - BS170 (MOSFET z kanałem N).

Oba rezystory mają tolerancję 1%. Rezystory z tolerancją 5% również będą działać. Pinouty MOSFET BS170 można zobaczyć na poniższym obrazku, który jest w kolejności Drain, Gate i Source.

Konstrukcja obwodu składa się z dwóch rezystorów podciągających po 4,7k każdy. Dren i pin źródłowy tranzystora MOSFET są podciągane do pożądanego poziomu napięcia (w tym przypadku 5 V i 3,3 V) w celu konwersji logicznej z niskiego na wysoki lub z wysokiego na niski. Możesz również użyć dowolnej wartości od 1k do 10k dla R1 i R2, ponieważ działają one tylko jako rezystory podciągające.

Aby zapewnić idealny stan roboczy, podczas konstruowania obwodu należy spełnić dwa warunki. Pierwszym warunkiem jest to, że napięcie logiki niskiego poziomu (w tym przypadku 3,3 V) wymaga połączenia ze źródłem tranzystora MOSFET, a napięcie logiki wysokiego poziomu (w tym przypadku 5 V) musi być podłączone do kołka spustowego tranzystora MOSFET. Drugim warunkiem jest to, że bramka tranzystora MOSFET musi być podłączona do niskonapięciowego źródła zasilania (w tym przypadku 3,3V).

Symulacja dwukierunkowego konwertera poziomów logicznych

Pełne działanie obwodu przesuwnika poziomów logicznych można zrozumieć na podstawie wyników symulacji. Jak widać na poniższym obrazie GIF, podczas konwersji logiki wysokiego na niski, pin wejściowy logiki jest przesuwany między 5V a 0V (masa), a wyjście logiczne jest otrzymywane jako 3,3V i 0V.

Podobnie podczas konwersji niskiego poziomu na wysoki, wejście logiczne jest między 3,3 V a 0 V jest konwertowane na wyjście logiczne 5 V i 0 V, jak pokazano na poniższym obrazie GIF.

Praca obwodu konwertera poziomów logicznych

Po spełnieniu tych dwóch warunków obwód pracuje w trzech stanach. Stany opisano poniżej.

1. Gdy strona niska jest w stanie logicznym 1 lub stanie wysokim (3,3 V).
2. Gdy strona niska jest w stanie logicznym 0 lub stanie niskim (0 V).
3. Gdy strona wysoka zmienia stan z 1 na 0 lub wysoki na niski (5 V na 0 V)

Gdy strona dolna jest wysoka, oznacza to, że napięcie źródła tranzystora MOSFET wynosi 3,3 V, tranzystor MOSFET nie przewodzi, ponieważ nie jest osiągany punkt progowy Vgs tranzystora MOSFET. W tym momencie bramka MOSFET-a ma 3,3 V, a źródło MOSFET-a również 3,3 V. Dlatego Vgs wynosi 0 V. MOSFET jest wyłączony. Logika 1 lub stan wysoki wejścia po stronie niskonakładowej odbija się po stronie drenu tranzystora MOSFET jako wyjście 5 V przez rezystor podciągający R2.

W tej sytuacji, jeśli niska strona tranzystora MOSFET zmieni swój stan z wysokiego na niski, MOSFET zaczyna przewodzić. Źródło jest w logice 0, stąd strona wysoka również stała się 0.

Te dwa powyższe warunki skutecznie przekształcają stan logiczny niskiego napięcia w stan logiczny wysokiego napięcia.

Innym stanem roboczym jest zmiana stanu wysokiego na MOSFET z wysokiego na niski. Jest to czas, w którym dioda podłoża drenażu zaczyna przewodzić. Dolna strona tranzystora MOSFET jest obniżana do niskiego poziomu napięcia, aż Vgs przekroczy punkt progowy. Linia magistrali zarówno sekcji niskiego, jak i wysokiego napięcia stała się niska przy tym samym poziomie napięcia.

Szybkość przełączania konwertera

Kolejnym ważnym parametrem do rozważenia podczas projektowania konwertera poziomów logicznych jest prędkość przejścia. Ponieważ większość konwerterów logicznych będzie używanych między magistralami komunikacyjnymi, takimi jak USART, I2C itp., Ważne jest, aby konwerter logiczny przełączał się wystarczająco szybko (prędkość przejścia), aby dopasować się do szybkości transmisji linii komunikacyjnych.

Szybkość przejścia jest taka sama, jak prędkość przełączania tranzystora MOSFET. Dlatego w naszym przypadku, zgodnie z arkuszem danych BS170, czas włączenia MOSFET i czas wyłączenia MOSFET podano poniżej. Dlatego ważne jest, aby wybrać odpowiedni MOSFET do projektu konwertera poziomu logicznego.

Tak więc nasz MOSFET wymaga tutaj 10 nS do włączenia i 10 nS do wyłączenia, co oznacza, że ​​może włączać się i wyłączać 1000000 razy w ciągu jednej sekundy. Zakładając, że nasza linia komunikacyjna działa z prędkością (szybkość transmisji) 115200 bitów na sekundę, oznacza to, że wyłącza się i wyłącza tylko 1,15200 w ciągu jednej sekundy. Dzięki temu możemy bardzo dobrze wykorzystać nasze urządzenie również do komunikacji z dużą szybkością transmisji.

Testowanie konwertera logiki

Do przetestowania obwodu potrzebne są następujące komponenty i narzędzia -

1. Zasilacz z dwoma różnymi wyjściami napięciowymi.
2. Dwa multimetry.
3. Dwa przełączniki dotykowe.
4. Kilka przewodów do podłączenia.

Schemat został zmodyfikowany w celu przetestowania obwodu.

Na powyższym schemacie wprowadzono dwa dodatkowe przełączniki dotykowe. Dołączony jest również multimetr do sprawdzania przejścia logicznego. Naciskając SW1, dolna strona tranzystora MOSFET zmienia swój stan z wysokiego na niski, a konwerter poziomów logicznych pracuje jako konwerter poziomów logicznych niskiego napięcia na wysokie napięcie.

Z drugiej strony, naciskając SW2, strona wysoka MOSFET zmienia swój stan z wysokiego na niski, a konwerter poziomów logicznych pracuje jako konwerter poziomów logicznych wysokiego napięcia na niskie napięcie.

Obwód jest zbudowany w płytce stykowej i przetestowany.

Powyższy obrazek przedstawia stan logiczny po obu stronach MOSFET-u. Oba są w stanie logiki 1.

Pełne wideo robocze można zobaczyć na poniższym filmie.

Ograniczenia konwertera poziomów logicznych

Obwód z pewnością ma pewne ograniczenia. Ograniczenia w dużym stopniu zależą od doboru tranzystora MOSFET. Maksymalne napięcie i pobór prądu może być używana w tym obwodzie jest zależny od specyfikacji MOSFET. Ponadto minimalne napięcie logiczne wynosi 1,8 V. Napięcie logiczne mniejsze niż 1,8 V nie będzie działać poprawnie z powodu ograniczenia Vgs tranzystora MOSFET. W przypadku napięcia niższego niż 1,8 V można zastosować dedykowane konwertery poziomów logicznych.

Znaczenie i zastosowania

Jak omówiono w części wstępnej, niekompatybilny poziom napięcia w elektronice cyfrowej jest problemem związanym z interfejsami i transmisją danych. Dlatego wymagany jest konwerter poziomów lub przesuwnik poziomów, aby przezwyciężyć błędy związane z poziomem napięcia w obwodach.

Ze względu na dostępność na rynku elektroniki obwodów logicznych o szerokim zakresie, a także dla różnych mikrokontrolerów poziomu napięcia, przesuwnik poziomu logicznego ma niewiarygodne zastosowanie. Kilka urządzeń peryferyjnych i starszych urządzeń, które działają w oparciu o kodek I2C, UART lub audio, wymaga konwerterów poziomów do celów komunikacji z mikrokontrolerem.

Popularne układy scalone konwertera poziomów logicznych

Wielu producentów dostarcza zintegrowane rozwiązania do konwersji poziomów logicznych. Jednym z popularnych układów scalonych jest MAX232. Jest to jeden z najpopularniejszych konwerterów poziomów logicznych, który konwertuje napięcie logiczne mikrokontrolera z 5V na 12V. Port RS232 służy do komunikacji między komputerami z mikrokontrolerem i wymaga +/- 12V. Już wcześniej używaliśmy MAX232 z PIC i kilku innych mikrokontrolerów do połączenia mikrokontrolera z komputerem.

Istnieją również różne wymagania w zależności od konwersji bardzo niskiego poziomu napięcia, szybkości konwersji, miejsca, kosztu itp.

SN74AX to również popularna seria dwukierunkowych konwerterów poziomu napięcia firmy Texas Instruments. W tym segmencie jest wiele układów scalonych, które oferują przejście z pojedynczej do 4-bitowej szyny zasilającej, a także dodatkowe funkcje.

Innym popularnym dwukierunkowym układem scalonym konwertera poziomów logicznych jest MAX3394E firmy Maxim Integrated. Wykorzystuje tę samą topologię konwersji, używając MOSFET. Schemat pinów można zobaczyć na poniższym obrazku. Konwerter obsługuje oddzielny pin włączający, którym można sterować za pomocą mikrokontrolerów, co jest dodatkową funkcją.

Powyższa konstrukcja wewnętrzna pokazuje tę samą topologię MOSFET, ale z konfiguracją kanału P. Posiada wiele dodatkowych funkcji, takich jak ochrona 15kV ESD na liniach I / O i VCC. Typowy schemat można zobaczyć na poniższym obrazku.

Powyższy schemat przedstawia obwód, który konwertuje poziom logiczny 1,8 V na poziom logiczny 3,3 V i odwrotnie. Sterownik systemu, który może być dowolnym mikrokontrolerem, również steruje pinem EN.

A więc chodzi o dwukierunkowy obwód konwersji poziomu logiki i jego działanie.