Μπι

Πίσω στην εποχή ENIAC, οι υπολογιστές ήταν πιο αναλογικοί στη φύση και χρησιμοποίησαν πολύ λίγα ψηφιακά IC. Σήμερα, ο υπολογιστής του μέσου Joe λειτουργεί με πολλαπλά επίπεδα τάσης, οι άνθρωποι που είχαν δει το SMPS μιας CPU θα είχαν παρατηρήσει ότι ο υπολογιστής σας απαιτεί ± 12V, + 5V και + 3.3V για να λειτουργήσει. Αυτά τα επίπεδα τάσης είναι πολύ σημαντικά για έναν υπολογιστή. μια συγκεκριμένη τάση καθορίζει την κατάσταση του σήματος (υψηλή ή χαμηλή). Αυτή η υψηλή κατάσταση γίνεται αποδεκτή από τον υπολογιστή ως δυαδικό 1 και η χαμηλή κατάσταση ως δυαδικό 0. Ανάλογα με την κατάσταση 0 και 1 ο υπολογιστής παράγει δεδομένα, κωδικούς και οδηγίες για την παροχή της απαιτούμενης εξόδου.

Τα σύγχρονα επίπεδα λογικής τάσης κυμαίνονται σε μεγάλο βαθμό από 1,8V έως 5V. Οι τυπικές λογικές τάσεις είναι 5V, 3.3V, 1.8V, κ.λπ. Αλλά, πώς ένα σύστημα ή ελεγκτής που λειτουργεί με λογικό επίπεδο 5V (Παράδειγμα Arduino) επικοινωνεί με άλλο σύστημα που λειτουργεί με 3.3V (Παράδειγμα ESP8266) ή οποιαδήποτε άλλη διαφορετική τάση επίπεδο? Αυτό το σενάριο συμβαίνει συχνά σε πολλά σχέδια, όπου υπάρχουν πολλοί μικροελεγκτές ή αισθητήρες που χρησιμοποιούνται και η λύση εδώ είναι να χρησιμοποιήσετε ένα Logic Level Converter ή Logic Level Shifter. Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε περισσότερα για τους Μετατροπείς επιπέδου Logic και θα κατασκευάσουμε επίσης ένα απλό κύκλωμα μετατροπής Logic Level διπλής κατεύθυνσης χρησιμοποιώντας MOSFET που θα είναι χρήσιμο για τα σχέδια κυκλωμάτων σας.

Τάση εισόδου υψηλού επιπέδου και χαμηλού επιπέδου

Ωστόσο, από την πλευρά του μικροεπεξεργαστή ή του μικροελεγκτή, η τιμή στάθμης λογικής τάσης δεν είναι σταθερή. έχει κάποια ανοχή με αυτό. Για παράδειγμα, το αποδεκτό λογικό υψηλό (λογική 1) για μικροελεγκτές επιπέδου λογικής 5V είναι ελάχιστο 2,0V (Ελάχιστη τάση εισόδου υψηλού επιπέδου) έως 5,1V (Μέγιστη τάση εισόδου υψηλού επιπέδου). Ομοίως, για λογική χαμηλή (λογική 0) η αποδεκτή τιμή τάσης είναι από 0V (Ελάχιστη τάση εισόδου χαμηλού επιπέδου) έως το μέγιστο 8V (Μέγιστη τάση εισόδου χαμηλού επιπέδου).

Το παραπάνω παράδειγμα ισχύει για μικροελεγκτές επιπέδου λογικής 5V, αλλά είναι επίσης διαθέσιμοι μικροελεγκτές επιπέδου λογικής 3.3V και 1.8V. Σε έναν τέτοιο τύπο μικροελεγκτών, το εύρος τάσης του λογικού επιπέδου θα ποικίλει. Μπορείτε να λάβετε τις σχετικές πληροφορίες από το φύλλο δεδομένων του συγκεκριμένου IC ελεγκτή. Όταν χρησιμοποιείτε μετατροπέα στάθμης τάσης, πρέπει να προσέχετε ότι η τιμή υψηλής τάσης και η τιμή χαμηλής τάσης βρίσκονται εντός του ορίου αυτών των παραμέτρων.

Μετατροπέας επιπέδου αμφίδρομης λογικής

Ανάλογα με την εφαρμογή και την τεχνική κατασκευής, δύο τύποι shifters επίπεδο είναι διαθέσιμα, μονής κατεύθυνσης Logic Level Converter και Bi-directional Logic Level Converter. Σε μετατροπείς επιπέδου κατεύθυνσης, οι ακροδέκτες εισόδου προορίζονται για έναν τομέα τάσης και οι ακίδες εξόδου προορίζονται για τον άλλο τομέα τάσης, αλλά αυτό δεν ισχύει για τους μετατροπείς διπλής κατεύθυνσης που μπορεί να μετατρέψει λογικά σήματα και στις δύο κατευθύνσεις. Για τους μετατροπείς επιπέδου διπλής κατεύθυνσης, κάθε τομέας τάσης όχι μόνο έχει καρφίτσες εισόδου, αλλά και έχει τον πείρο εξόδου. Για παράδειγμα, εάν παρέχετε 5.5V στην πλευρά εισόδου, θα το μετατρέψει σε 3.3V στην πλευρά εξόδου, παρόμοια εάν παρέχετε 3.3V στην πλευρά εξόδου, θα το μετατρέψει σε 5V στην πλευρά εισόδου.

Σε αυτό το σεμινάριο, θα δημιουργήσουμε έναν απλό αμφίδρομο μετατροπέα επιπέδου και θα τον δοκιμάσουμε για μετατροπή από υψηλή σε χαμηλή και από μετατροπή από χαμηλή σε υψηλή.

Απλός αμφίδρομος μετατροπέας επιπέδου λογικής

Ένα απλό κύκλωμα μετατροπής λογικής διπλής κατεύθυνσης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Το κύκλωμα χρησιμοποιεί ένα κανάλι n-MOSFET για να μετατρέψει το λογικό επίπεδο χαμηλής τάσης σε επίπεδο λογικής υψηλής τάσης. Ένας απλός μετατροπέας επιπέδου λογικής μπορεί επίσης να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας αντιστάτες διαιρέτες τάσης, αλλά θα προκαλέσει απώλεια τάσης. Οι μετατροπείς επιπέδου λογικής MOSFET ή transistor είναι επαγγελματικοί, αξιόπιστοι και ασφαλέστεροι.

Το κύκλωμα χρησιμοποιεί επίσης δύο πρόσθετα εξαρτήματα, τα R1 και R2. Αυτές είναι αντιστάσεις έλξης. Λόγω του χαμηλότερου αριθμού εξαρτημάτων, είναι και μια οικονομική λύση. Ανάλογα με το παραπάνω κύκλωμα, θα κατασκευαστεί ένας απλός αμφίδρομος λογικός μετατροπέας 3.3V έως 5V.

Μετατροπέας επιπέδου 5V σε 3.3V χρησιμοποιώντας MOSFET

Το κύκλωμα μετατροπέα επιπέδου διπλής κατεύθυνσης λογικής 5V έως 3.3V φαίνεται στην παρακάτω εικόνα -

Όπως μπορείτε να δείτε, πρέπει να παρέχουμε σταθερή τάση 5V και 3.3V στις αντιστάσεις R1 και R2. Οι ακίδες Low_side_Logic_Input και High_Side_Logic_Input μπορούν εναλλακτικά να χρησιμοποιηθούν ως καρφίτσες εισόδου και εξόδου.

Τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στο παραπάνω κύκλωμα είναι

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (N κανάλι MOSFET).

Και οι δύο αντιστάσεις είναι 1% ανεκτικές. Θα λειτουργήσουν επίσης αντιστάσεις με ανοχή 5%. Τα pinouts του BS170 MOSFET φαίνονται στην παρακάτω εικόνα που είναι με τη σειρά Drain, Gate και Source.

Η κατασκευή του κυκλώματος αποτελείται από δύο αντιστάσεις έλξης 4,7k η καθεμία. Η αποστράγγιση και ο πείρος πηγής του MOSFET ανεβάζονται στο επιθυμητό επίπεδο τάσης (στην περίπτωση αυτή 5V και 3.3V) για μετατροπή από χαμηλή σε υψηλή ή υψηλή σε χαμηλή λογική. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 1k έως 10k για R1 και R2, δεδομένου ότι λειτουργούν μόνο ως αντιστάσεις έλξης.

Για την τέλεια κατάσταση λειτουργίας, υπάρχουν δύο προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται κατά την κατασκευή του κυκλώματος. Η πρώτη συνθήκη είναι ότι η λογική τάση χαμηλού επιπέδου (3.3V σε αυτήν την περίπτωση) πρέπει να συνδεθεί με την πηγή του MOSFET και η λογική τάση υψηλού επιπέδου (5V σε αυτήν την περίπτωση) πρέπει να συνδεθεί στον πείρο αποστράγγισης του MOSFET. Η δεύτερη προϋπόθεση είναι ότι η πύλη του MOSFET πρέπει να συνδεθεί με την παροχή χαμηλής τάσης (3.3V σε αυτήν την περίπτωση).

Προσομοίωση μετατροπέα επιπέδου αμφίδρομης λογικής

Η πλήρης λειτουργία του κυκλώματος αλλαγής λογικού επιπέδου μπορεί να γίνει κατανοητή χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα προσομοίωσης. Όπως μπορείτε να δείτε στην παρακάτω εικόνα GIF, κατά τη μετατροπή λογικής υψηλού επιπέδου σε χαμηλό επίπεδο, ο πείρος εισόδου Logic μετατοπίζεται μεταξύ 5V και 0V (γείωση) και η λογική έξοδος λαμβάνεται ως 3.3V και 0V.

Ομοίως κατά τη μετατροπή χαμηλού επιπέδου σε υψηλό επίπεδο, η είσοδος Logic είναι μεταξύ 3,3V και 0V μετατρέπεται σε λογική έξοδο 5V και 0V, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα GIF.

Λειτουργικό κύκλωμα μετατροπέα επιπέδου λογικής

Αφού πληροί αυτές τις δύο προϋποθέσεις, το κύκλωμα λειτουργεί σε τρεις καταστάσεις. Οι καταστάσεις περιγράφονται παρακάτω.

Όταν η χαμηλή πλευρά είναι λογική 1 ή υψηλή κατάσταση (3.3V).
Όταν η χαμηλή πλευρά είναι λογική 0 ή χαμηλή κατάσταση (0V).
Όταν η Υψηλή πλευρά αλλάζει την κατάσταση από 1 σε 0 ή υψηλή σε χαμηλή (5V σε 0V)

Όταν η χαμηλή πλευρά είναι υψηλή, αυτό σημαίνει ότι η τάση πηγής του MOSFET είναι 3.3V, το MOSFET δεν λειτουργεί λόγω του σημείου κατωφλίου Vgs του MOSFET που δεν έχει επιτευχθεί. Σε αυτό το σημείο η πύλη του MOSFET είναι 3.3V και η πηγή του MOSFET είναι επίσης 3.3V. Επομένως, το Vgs είναι 0V. Το MOSFET είναι απενεργοποιημένο. Η λογική 1 ή η υψηλή κατάσταση της εισόδου χαμηλής πλευράς αντικατοπτρίζει την πλευρά αποστράγγισης του MOSFET ως έξοδο 5V μέσω της αντίστασης έλξης R2.

Σε αυτήν την περίπτωση, εάν η χαμηλή πλευρά του MOSFET αλλάξει την κατάστασή της από υψηλή σε χαμηλή, το MOSFET αρχίζει να λειτουργεί. Η πηγή είναι στη λογική 0, επομένως η υψηλή πλευρά έγινε επίσης 0.

Οι παραπάνω δύο συνθήκες μετατρέπουν επιτυχώς τη λογική κατάσταση χαμηλής τάσης σε λογική κατάσταση υψηλής τάσης.

Μια άλλη κατάσταση λειτουργίας είναι όταν η υψηλή πλευρά του MOSFET αλλάζει την κατάστασή της από υψηλή σε χαμηλή. Είναι η ώρα που αρχίζει να λειτουργεί η δίοδος υποστρώματος αποστράγγισης. Η χαμηλή πλευρά του MOSFET τραβιέται προς τα κάτω σε επίπεδο χαμηλής τάσης έως ότου οι Vgs διασχίσουν το κατώφλι Η γραμμή διαύλου τόσο του τμήματος χαμηλής όσο και υψηλής τάσης έγινε χαμηλή στο ίδιο επίπεδο τάσης.

Ταχύτητα μεταγωγής του μετατροπέα

Μια άλλη σημαντική παράμετρος που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά το σχεδιασμό ενός μετατροπέα επιπέδου λογικής είναι η ταχύτητα μετάβασης. Δεδομένου ότι οι περισσότεροι μετατροπείς λογικής θα χρησιμοποιηθούν μεταξύ των διαύλων επικοινωνίας όπως το USART, το I2C κ.λπ., είναι σημαντικό ο μετατροπέας λογικής να αλλάζει αρκετά γρήγορα (ταχύτητα μετάβασης) για να ταιριάζει με τον ρυθμό baud των γραμμών επικοινωνίας.

Η ταχύτητα μετάβασης είναι η ίδια με την ταχύτητα μεταγωγής του MOSFET. Ως εκ τούτου, στην περίπτωσή μας σύμφωνα με το δελτίο δεδομένων BS170, ο χρόνος ενεργοποίησης του MOSFET και ο χρόνος απενεργοποίησης του MOSFET αναφέρονται παρακάτω. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να επιλέξετε το σωστό MOSFET για τη σχεδίαση μετατροπέα επιπέδου λογικής.

Έτσι, το MOSFET εδώ απαιτεί 10nS για ενεργοποίηση και 10nS για απενεργοποίηση, που σημαίνει ότι μπορεί να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί 10,00,000 φορές σε ένα δευτερόλεπτο. Υποθέτοντας ότι η γραμμή επικοινωνίας μας λειτουργεί με ταχύτητα (ρυθμός baud) 115200 bits ανά δευτερόλεπτο, τότε σημαίνει ότι σβήνει και απενεργοποιεί μόνο 1.15.200 σε ένα δευτερόλεπτο. Έτσι μπορούμε πολύ καλά να χρησιμοποιήσουμε τη συσκευή μας για επικοινωνία με υψηλό ρυθμό baud.

Δοκιμή του μετατροπέα λογικής

Απαιτούνται τα ακόλουθα εξαρτήματα και εργαλεία για τη δοκιμή του κυκλώματος -

Τροφοδοσία με δύο διαφορετικές τάσεις εξόδου.
Δύο πολύμετρα.
Δύο διακόπτες αφής.
Λίγα καλώδια για σύνδεση.

Το σχηματικό τροποποιείται για να ελέγξει το κύκλωμα.

Στο παραπάνω σχήμα, εισάγονται δύο επιπλέον διακόπτες αφής. Επίσης, είναι συνδεδεμένο ένα πολύμετρο για τον έλεγχο της λογικής μετάβασης. Πατώντας SW1, η χαμηλή πλευρά του MOSFET αλλάζει την κατάστασή της από υψηλή σε χαμηλή και ο μετατροπέας λογικής στάθμης λειτουργεί ως μετατροπέας λογικής στάθμης χαμηλής τάσης σε υψηλή τάση.

Από την άλλη πλευρά, πατώντας SW2, η υψηλή πλευρά του MOSFET αλλάζει την κατάστασή της από υψηλή σε χαμηλή και ο μετατροπέας λογικής στάθμης λειτουργεί ως μετατροπέας λογικής στάθμης υψηλής τάσης σε χαμηλή τάση.

Το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε ψωμί και δοκιμάζεται.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει τη λογική κατάσταση και στις δύο πλευρές του MOSFET. Και οι δύο βρίσκονται σε κατάσταση Λογικής 1.

Το πλήρες βίντεο εργασίας φαίνεται στο παρακάτω βίντεο.

Περιορισμοί μετατροπέα επιπέδου λογικής

Το κύκλωμα έχει σίγουρα ορισμένους περιορισμούς. Οι περιορισμοί εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή του MOSFET. Η μέγιστη τάση και ρεύμα αποστράγγισης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αυτό το κύκλωμα εξαρτάται από τις προδιαγραφές του MOSFET. Επίσης, η ελάχιστη λογική τάση είναι 1,8V. Η λογική τάση μικρότερη από 1,8V δεν θα λειτουργήσει σωστά λόγω του περιορισμού Vgs του MOSFET. Για χαμηλότερη τάση από 1.8V, μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποκλειστικοί μετατροπείς επιπέδου λογικής.

Σημασία και εφαρμογές

Όπως συζητήθηκε στο εισαγωγικό μέρος, το ασυμβίβαστο επίπεδο τάσης στα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι ένα πρόβλημα για τη διασύνδεση και τη μετάδοση δεδομένων. Επομένως, απαιτείται μετατροπέας στάθμης ή μετατροπέας στάθμης για να ξεπεραστούν τα σφάλματα που σχετίζονται με το επίπεδο τάσης στο κύκλωμα.

Λόγω της διαθεσιμότητας κυκλωμάτων λογικού επιπέδου ευρείας εμβέλειας στην αγορά ηλεκτρονικών ειδών και επίσης για τους διαφορετικούς μικροελεγκτές επιπέδου τάσης, η μετατόπιση επιπέδου λογικής έχει απίστευτη θήκη χρήσης. Αρκετές περιφερειακές συσκευές και συσκευές παλαιού τύπου που λειτουργούν βάσει I2C, UART ή κωδικοποιητή ήχου, χρειάζονται μετατροπείς επιπέδου για σκοπούς επικοινωνίας με έναν μικροελεγκτή.

Δημοφιλή IC μετατροπέα επιπέδου λογικής

Υπάρχουν πολλοί κατασκευαστές που παρέχουν ολοκληρωμένες λύσεις για μετατροπή επιπέδου λογικής. Ένα από τα δημοφιλή IC είναι MAX232. Είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους IC μετατροπείς λογικού επιπέδου που μετατρέπει τη λογική τάση μικροελεγκτή 5V σε 12V. Η θύρα RS232 χρησιμοποιείται για την επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών με μικροελεγκτή και απαιτεί +/- 12V. Έχουμε ήδη χρησιμοποιήσει το MAX232 με PIC και μερικούς άλλους μικροελεγκτές νωρίτερα για τη διασύνδεση ενός μικροελεγκτή με υπολογιστή.

Υπάρχουν επίσης διαφορετικές απαιτήσεις, ανάλογα με την πολύ χαμηλή στάθμη τάσης μετατροπής, ταχύτητα μετατροπής, χώρο, κόστος κ.λπ.

Το SN74AX είναι επίσης μια δημοφιλής σειρά μετατροπέα επιπέδου τάσης αμφίδρομης από την Texas Instruments. Υπάρχουν πολλά IC σε αυτό το τμήμα, το οποίο προσφέρει μετάβαση ενός διαύλου τροφοδοσίας από ένα bit έως 4-bit μαζί με επιπλέον χαρακτηριστικά.

Ένα άλλο δημοφιλές IC αμφίδρομου λογικού επιπέδου μετατροπέα είναι MAX3394E από το Maxim Integrated. Χρησιμοποιεί την ίδια τοπολογία μετατροπής χρησιμοποιώντας το MOSFET. Το διάγραμμα καρφιτσών φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Ο μετατροπέας υποστηρίζει ξεχωριστό πείρο ενεργοποίησης που μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας μικροελεγκτές που είναι ένα πρόσθετο χαρακτηριστικό.

Η παραπάνω εσωτερική κατασκευή δείχνει την ίδια τοπολογία MOSFET αλλά με διαμόρφωση καναλιού P. Έχει πολλά πρόσθετα χαρακτηριστικά, όπως προστασία 15kV ESD σε γραμμές I / O και VCC. Το τυπικό σχηματικό φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Το παραπάνω σχηματικό δείχνει ένα κύκλωμα που μετατρέπει το λογικό επίπεδο 1.8V σε επίπεδο λογικής 3.3V και το αντίστροφο. Ο ελεγκτής συστήματος που μπορεί να είναι οποιαδήποτε μονάδα μικροελεγκτή ελέγχει επίσης τον πείρο EN.

Αυτό λοιπόν αφορά το κύκλωμα μετατροπής και τη λειτουργία διπλής κατεύθυνσης λογικού επιπέδου.