Bi

V éře ENIAC byly počítače více analogové povahy a používaly jen velmi málo digitálních integrovaných obvodů. Dnes průměrný Joeův počítač pracuje s více úrovněmi napětí, lidé, kteří viděli SMPS CPU, by si všimli, že váš počítač vyžaduje pro provoz ± 12V, + 5V a +3,3V. Tyto úrovně napětí jsou pro počítač velmi důležité; konkrétní napětí určuje stav signálu (vysoký nebo nízký). Tento vysoký stav je počítačem přijímán jako binární 1 a nízký stav jako binární 0. V závislosti na podmínkách 0 a 1 počítač produkuje data, kódy a pokyny k zajištění požadovaného výstupu.

Úrovně moderního logického napětí se velmi liší od 1,8 V do 5 V. Standardní logická napětí jsou 5V, 3,3V, 1,8V atd. Jak ale systém nebo řadič pracující s logickou úrovní 5V (příklad Arduino) komunikuje s jiným systémem, který pracuje s 3,3V (příklad ESP8266) nebo s jakýmkoli jiným odlišným napětím úroveň? Tento scénář se často vyskytuje u mnoha návrhů, kde se používá více mikrokontrolérů nebo senzorů a řešením je zde použití převaděče logické úrovně nebo logické úrovně. V tomto článku se dozvíte více o převaděčích logické úrovně a také vytvoříme jednoduchý obousměrný obvod převodníku logické úrovně pomocí MOSFET, který se hodí pro vaše návrhy obvodů.

Vstupní napětí na vysoké a nízké úrovni

Ze strany mikroprocesoru nebo mikrokontroléru však hodnota úrovně logického napětí není pevná; má to s sebou určitou toleranci. Například přijatá hodnota Logic High (logika 1) pro mikrokontroléry na logické úrovni 5 V je minimální 2,0 V (minimální vysoké vstupní napětí) až maximální 5,1 V (maximální vysoké vstupní napětí). Podobně pro logickou nízkou hodnotu (logická 0) je přijatá hodnota napětí od 0 V (minimální vstupní úroveň nízké úrovně) do maxima 8 V (maximální vstupní úroveň nízké úrovně).

Výše uvedený příklad platí pro 5V logické mikrokontroléry, ale k dispozici jsou také 3,3 V a 1,8 V logické mikrokontroléry. U takových typů mikrokontrolérů se rozsah napětí logické úrovně bude lišit. Příslušné informace můžete získat z datového listu daného konkrétního řadiče IC. Při použití převodníku úrovně napětí je třeba dbát na to, aby hodnota vysokého a nízkého napětí byla v mezích těchto parametrů.

Obousměrný převodník logické úrovně

V závislosti na aplikaci a technické konstrukci jsou k dispozici dva typy řadičů úrovní, jednosměrný převodník logické úrovně a obousměrný převodník logické úrovně. V jednosměrných převaděčích úrovně jsou vstupní piny vyhrazeny pro jednu napěťovou doménu a výstupní piny jsou určeny pro druhou napěťovou doménu, ale u obousměrných převaděčů úrovně to neplatí, může převádět logické signály v obou směrech. U obousměrných převodníků úrovně má každá napěťová doména nejen vstupní piny, ale také výstupní kolík. Například pokud poskytnete 5,5 V na vstupní straně, převede ji na 3,3 V na výstupní straně, podobně pokud poskytnete 3,3 V na výstupní straně, převede ji na 5 V na vstupní straně.

V tomto výukovém programu sestavíme jednoduchý obousměrný převodník úrovní a otestujeme jej na převod z vysoké na nízkou a převod z nízké na vysokou.

Jednoduchý obousměrný převodník logických úrovní

Na následujícím obrázku je znázorněn jednoduchý obvod obousměrného logického převodníku.

Obvod používá n-kanálový MOSFET k převodu logické úrovně nízkého napětí na logickou úroveň vysokého napětí. Jednoduchý převodník logické úrovně může být také sestaven pomocí odporových děličů napětí, ale způsobí ztrátu napětí. Převaděče logické úrovně MOSFET nebo tranzistory jsou profesionální, spolehlivé a bezpečnější pro integraci.

Obvod také používá dvě další komponenty, R1 a R2. To jsou pull-up rezistory. Vzhledem k nejnižšímu počtu dílů je to také nákladově efektivní řešení. V závislosti na výše uvedeném obvodu bude zkonstruován jednoduchý obousměrný logický převodník 3,3 V až 5 V.

Převaděč úrovní 5V až 3,3V pomocí MOSFET

5V na 3.3V obousměrný konvertor logické úrovně obvodu lze vidět na obrázku níže -

Jak vidíte, musíme poskytnout rezistorům R1 a R2 konstantní napětí 5V a 3,3V. Piny Low_side_Logic_Input a High_Side_Logic_Input lze zaměnitelně použít jako vstupní a výstupní piny.

Součásti použité ve výše uvedeném obvodu jsou

R1 - 4,7 tis

R2 - 4,7 tis

Q1 - BS170 (N kanál MOSFET).

Oba rezistory jsou tolerantní k 1%. Fungují také rezistory s 5% tolerancí. Pinouty BS170 MOSFET lze vidět na následujícím obrázku, který je v pořadí Drain, Gate a Source.

Konstrukce obvodu se skládá ze dvou pull up rezistorů po 4,7k. Odtok a zdrojový kolík MOSFET jsou vytaženy na požadovanou úroveň napětí (v tomto případě 5 V a 3,3 V) pro logickou konverzi z nízké na vysokou nebo z vysoké na nízkou. Pro R1 a R2 můžete také použít libovolnou hodnotu od 1k do 10k, protože fungují pouze jako pull up rezistory.

Pro dokonalý pracovní stav existují dvě podmínky, které je třeba splnit při konstrukci obvodu. První podmínkou je, že logické napětí nízké úrovně (v tomto případě 3,3 V) musí být připojeno ke zdroji MOSFET a vysoké logické napětí (v tomto případě 5 V) musí být připojeno k odtokovému kolíku MOSFET. Druhou podmínkou je, že brána MOSFET musí být připojena k nízkonapěťovému napájení (v tomto případě 3,3 V).

Simulace obousměrného převaděče logické úrovně

Úplné fungování obvodu řazení logické úrovně lze pochopit pomocí výsledků simulace. Jak vidíte na obrázku níže GIF, během logické konverze z vysoké úrovně na nízkou úroveň je logický vstupní kolík posunut mezi 5 V a 0 V (zem) a logický výstup je získán jako 3,3 V a 0 V.

Podobně během převodu nízké úrovně na vysokou úroveň je logický vstup mezi 3,3 V a 0 V převeden na logický výstup 5 V a 0 V, jak je znázorněno na obrázku GIF níže.

Obvod převodníku logické úrovně pracuje

Po splnění těchto dvou podmínek obvod funguje ve třech stavech. Státy jsou popsány níže.

1. Když je spodní strana v logickém stavu 1 nebo ve vysokém stavu (3,3 V).
2. Když je spodní strana v logice 0 nebo nízkém stavu (0V).
3. Když strana Vysoká změní stav z 1 na 0 nebo z vysokého na nízký (5 V až 0 V)

Když je nízká strana vysoká, to znamená, že zdrojové napětí MOSFETu je 3,3 V, MOSFET neprovádí kvůli tomu, že není dosaženo prahového bodu Vgs MOSFETu. V tomto okamžiku je brána MOSFETu 3,3 V a zdroj MOSFETu je také 3,3 V. Proto je Vgs 0V. MOSFET je vypnutý. Logika 1 nebo vysoký stav vstupu na nízké straně se odráží na odtokové straně MOSFETu jako výstup 5V přes pullup odpor R2.

V této situaci, pokud spodní strana MOSFET změní svůj stav z vysokého na nízký, MOSFET začne fungovat. Zdroj je v logice 0, proto se horní strana také stala 0.

Tyto výše uvedené podmínky úspěšně převádějí logický stav nízkého napětí na logický stav vysokého napětí.

Další funkční stav je, když horní strana MOSFET změní svůj stav z vysokého na nízký. Je čas, kdy začne fungovat odtoková substrátová dioda. Nízká strana MOSFET je stažena dolů na úroveň nízkého napětí, dokud Vgs nepřekročí prahový bod. Sběrnicové vedení úseku nízkého i vysokého napětí se při stejné úrovni napětí snížilo.

Rychlost přepínání převodníku

Dalším důležitým parametrem, který je třeba vzít v úvahu při návrhu převodníku logické úrovně, je rychlost přechodu. Protože většina logických převaděčů bude použita mezi komunikačními sběrnicemi, jako je USART, I2C atd., Je důležité, aby logický převaděč přepínal dostatečně rychle (rychlost přechodu) tak, aby odpovídala přenosové rychlosti komunikačních linek.

Rychlost přechodu je stejná jako rychlost přepínání MOSFET. V našem případě tedy podle datasheetu BS170 je čas zapnutí MOSFET a čas vypnutí MOSFET uveden níže. Proto je důležité vybrat ten správný MOSFET pro návrh převaděče logické úrovně.

Náš MOSFET zde tedy vyžaduje 10 nS pro zapnutí a 10 nS pro vypnutí, což znamená, že se může zapnout a vypnout 10,00 000krát za sekundu. Za předpokladu, že naše komunikační linka pracuje rychlostí (baud rate) 115200 bitů za sekundu, znamená to, že se vypíná a vypíná pouze 1,15,200 za jednu sekundu. Můžeme tedy velmi dobře použít naše zařízení i pro komunikaci s vysokou přenosovou rychlostí.

Testování logického převaděče

K testování obvodu jsou nutné následující komponenty a nástroje -

1. Napájení se dvěma různými napěťovými výstupy.
2. Dva multimetry.
3. Dva dotykové spínače.
4. Několik vodičů pro připojení.

Schéma je upraveno pro testování obvodu.

Ve výše uvedeném schématu jsou představeny dva další dotykové spínače. Je také připojen multimetr ke kontrole logického přechodu. Stisknutím SW1 změní nízká strana MOSFET svůj stav z vysokého na nízký a převodník logické úrovně pracuje jako převodník logické úrovně nízkého napětí na vysoký.

Na druhou stranu stisknutím SW2 změní vysoká strana MOSFETu svůj stav z vysokého na nízký a převodník logické úrovně pracuje jako převodník logické úrovně vysokého napětí na nízké napětí.

Obvod je zkonstruován v prkénku a testován.

Obrázek nahoře ukazuje logický stav na obou stranách MOSFETu. Oba jsou ve stavu logiky 1.

Celé funkční video lze vidět v níže uvedeném videu.

Omezení převaděče logické úrovně

Okruh má jistě určitá omezení. Omezení do značné míry závisí na výběru MOSFET. Maximální napětí a proud mozků mohou být použity v tomto obvodu je závislá na specifikaci MOSFET. Minimální logické napětí je také 1,8V. Logické napětí nižší než 1,8 V nebude správně fungovat kvůli omezení Vgs na MOSFET. Pro nižší napětí než 1,8 V lze použít vyhrazené převodníky logické úrovně.

Důležitost a aplikace

Jak je uvedeno v úvodní části, nekompatibilní úroveň napětí v digitální elektronice je problémem pro rozhraní a přenos dat. Proto je k překonání chyb souvisejících s úrovní napětí v obvodech zapotřebí převodník úrovně nebo posunovač úrovně.

Vzhledem k dostupnosti širokopásmových obvodů logické úrovně na trhu s elektronikou a také pro různé napěťové mikrokontroléry má řadič logické úrovně neuvěřitelný případ použití. Několik periferií a starších zařízení, která pracují na bázi I2C, UART nebo zvukových kodeků, potřebují převaděče úrovní pro komunikační účely s mikrokontrolérem.

Populární integrované obvody převaděče logické úrovně

Existuje spousta výrobců, kteří poskytují integrovaná řešení pro převod logické úrovně. Jedním z populárních IC je MAX232. Je to jeden z nejběžnějších převodníků logické úrovně IC, který převádí logické napětí mikrokontroléru na 5V na 12V. Port RS232 se používá ke komunikaci mezi počítači pomocí mikrokontroléru a vyžaduje +/- 12V. K propojení mikrokontroléru s počítačem jsme již dříve použili MAX232 s PIC a několika dalšími mikrokontroléry.

Existují také různé požadavky v závislosti na převodu velmi nízkého napětí, rychlosti převodu, prostoru, nákladech atd.

SN74AX je také populární řada obousměrného převaděče úrovně napětí od společnosti Texas Instruments. V tomto segmentu je spousta integrovaných obvodů, které nabízejí přechod z jedné bitové na 4bitovou napájecí sběrnici spolu s dalšími funkcemi.

Další populární obousměrný převaděč logických úrovní IC je MAX3394E od Maxim Integrated. Používá stejnou topologii převodu pomocí MOSFET. Pinový diagram je vidět na obrázku níže. Převodník podporuje samostatný uvolňovací kolík, který lze ovládat pomocí mikrokontrolérů, což je přidaná funkce.

Výše uvedená vnitřní konstrukce ukazuje stejnou topologii MOSFET, ale s konfigurací P-kanálu. Má spoustu dalších přidaných funkcí, jako je 15kV ESD ochrana na I / O a VCC linkách. Typické schéma je vidět na obrázku níže.

Výše uvedené schéma ukazuje obvod, který převádí logickou úroveň 1,8 V na logickou úroveň 3,3 V a naopak. Řadič systému, kterým může být jakákoli jednotka mikrokontroléru, také ovládá kolík EN.

Jedná se tedy o obousměrný logický přepočítací obvod a fungování.