Bi

V ére ENIAC boli počítače skôr analógovej povahy a používali veľmi málo digitálnych integrovaných obvodov. Dnes priemerný Joeov počítač pracuje s viacerými úrovňami napätia, ľudia, ktorí videli SMPS procesora, by si všimli, že váš počítač vyžaduje na fungovanie ± 12V, + 5V a +3,3V. Tieto úrovne napätia sú pre počítač veľmi dôležité; konkrétne napätie určuje stav signálu (vysoký alebo nízky). Tento vysoký stav je počítačom akceptovaný ako binárny 1 a nízky stav ako binárny 0. V závislosti na podmienkach 0 a 1 počítač produkuje údaje, kódy a pokyny na zabezpečenie požadovaného výstupu.

Úrovne moderného logického napätia sa do značnej miery líšia od 1,8 V do 5 V. Štandardné logické napätia sú 5 V, 3,3 V, 1,8 V atď. Ale Ako komunikuje systém alebo radič pracujúci s logickou úrovňou 5 V (príklad Arduino) s iným systémom, ktorý pracuje s napätím 3,3 V (príklad ESP8266) alebo iným iným napätím úroveň? Tento scenár sa často vyskytuje v mnohých prevedeniach, kde sa používa viac mikrokontrolérov alebo senzorov a riešením je tu použitie prevodníka logickej úrovne alebo radiča logickej úrovne. V tomto článku sa dozvieme viac o prevádzačoch logických úrovní a tiež zostavíme jednoduchý obojsmerný obvod prevodníkov logických úrovní pomocou MOSFET, ktorý sa bude hodiť pre vaše návrhy obvodov.

Vysokoúrovňové a nízkoúrovňové vstupné napätie

Avšak zo strany mikroprocesora alebo mikrokontroléra nie je hodnota úrovne logického napätia pevná; má to so sebou určitú toleranciu. Napríklad akceptovaná hodnota Logic High (logika 1) pre mikrokontroléry na logickej úrovni 5 V je minimálne 2,0 V (minimálne vysoké vstupné napätie) až maximálne 5,1 V (maximálne vysoké vstupné napätie). Podobne pre logicky nízke (logická 0) je akceptovaná hodnota napätia od 0V (minimálne nízke vstupné napätie) do maximálne 8V (maximálne nízke vstupné napätie).

Vyššie uvedený príklad platí pre mikrokontroléry s logickou úrovňou 5 V, ale k dispozícii sú aj mikrokontroléry s logickou úrovňou 3,3 V a 1,8 V. V takomto type mikrokontrolérov sa rozsah napätia logickej úrovne bude líšiť. Príslušné informácie môžete získať z údajového listu konkrétneho radiča IC. Pri použití prevodníka úrovne napätia je potrebné dbať na to, aby hodnota vysokého a nízkeho napätia bola v medziach týchto parametrov.

Obojsmerný prevodník logických úrovní

V závislosti na aplikácii a technickej konštrukcii sú k dispozícii dva typy radičov úrovní, jednosmerný prevodník logickej úrovne a obojsmerný prevodník logickej úrovne. V jednosmerných prevodníkoch úrovne sú vstupné piny vyhradené pre jednu napäťovú doménu a výstupné piny sú určené pre druhú napäťovú doménu, ale to nie je prípad obojsmerných prevodníkov úrovne, ktoré môžu prevádzať logické signály v oboch smeroch. Pre obojsmerné prevodníky úrovne má každá napäťová doména nielen vstupné piny, ale aj výstupný kolík. Napríklad ak poskytnete 5,5 V na vstupnej strane, prevedie ju na 3,3 V na výstupnej strane, podobne ak poskytnete 3,3 V na výstupnej strane, prevedie ju na 5 V na vstupnej strane.

V tomto výučbe zostavíme jednoduchý obojsmerný prevodník úrovní a otestujeme ho pri konverzii z vysokej na nízku a z nízkej na vysokú.

Jednoduchý obojsmerný prevodník logických úrovní

Na nasledujúcom obrázku je znázornený jednoduchý obvod obojsmerného logického prevodníka.

Obvod využíva n-kanálový MOSFET na prevod logickej úrovne nízkeho napätia na logickú úroveň vysokého napätia. Jednoduchý prevodník logickej úrovne je možné zostaviť aj pomocou odporových rozdeľovačov napätia, spôsobí však úbytok napätia. Prevodníky logickej úrovne MOSFET alebo tranzistory sú profesionálne, spoľahlivé a ich integrácia je bezpečnejšia.

Obvod tiež využíva dve ďalšie komponenty, R1 a R2. To sú pull-up rezistory. Vzhľadom na najnižší počet súčiastok je to tiež nákladovo efektívne riešenie. V závislosti od vyššie uvedeného obvodu bude skonštruovaný jednoduchý obojsmerný logický prevodník 3,3 až 5 V.

Prevodník úrovní 5V až 3,3V pomocou MOSFET

5V na 3.3V obojsmerný konvertor logickej úrovne obvodu možno vidieť na obrázku nižšie -

Ako vidíte, musíme poskytnúť rezistory R1 a R2 konštantné napätie 5V a 3,3V. Kolíky Low_side_Logic_Input a High_Side_Logic_Input je možné vzájomne zameniť ako vstupné a výstupné kolíky.

Komponenty použité vo vyššie uvedenom obvode sú

R1 - 4,7 tis

R2 - 4,7 tis

Q1 - BS170 (N kanál MOSFET).

Oba rezistory sú tolerované 1%. Budú fungovať aj rezistory s 5% toleranciou. K vývodov z BS170 MOSFET môže byť vidieť na obrázku nižšie, ktorý je v poradí Drain, brána a zdroj.

Konštrukcia obvodu sa skladá z dvoch pull up rezistorov po 4,7k. Odtok a zdrojový kolík MOSFETu sú vytiahnuté na požadovanú úroveň napätia (v tomto prípade 5 V a 3,3 V) pre logickú konverziu od nízkeho po vysoký alebo od vysokého po nízky. Pre R1 a R2 môžete tiež použiť ľubovoľnú hodnotu od 1 000 do 10 000, pretože fungujú iba ako pull-up rezistory.

Pre dokonalý pracovný stav existujú dve podmienky, ktoré je potrebné splniť pri konštrukcii obvodu. Prvou podmienkou je, že logické napätie nízkej úrovne (v tomto prípade 3,3 V) je potrebné pripojiť k zdroju MOSFET a vysoké logické napätie (v tomto prípade 5 V) musí byť pripojené k odtokovému kolíku MOSFET. Druhou podmienkou je, že brána MOSFET musí byť pripojená k zdroju nízkeho napätia (v tomto prípade 3,3 V).

Simulácia obojsmerného prevodníka logických úrovní

Úplné fungovanie obvodu radiča logickej úrovne je možné pochopiť pomocou výsledkov simulácie. Ako môžete vidieť na obrázku GIF nižšie, počas logickej konverzie z vysokej úrovne na nízku je logický vstupný kolík posunutý medzi 5 V a 0 V (zem) a logický výstup je získaný ako 3,3 V a 0 V.

Podobne počas konverzie z nízkej úrovne na vysokú úroveň je logický vstup medzi 3,3 V a 0 V prevedený na logický výstup 5 V a 0 V, ako je znázornené na obrázku GIF nižšie.

Obvod prevodníka logickej úrovne pracuje

Po splnení týchto dvoch podmienok obvod funguje v troch štátoch. Štáty sú popísané nižšie.

1. Keď je spodná strana v logickom režime 1 alebo vysoký stav (3,3 V).
2. Keď je spodná strana v logike 0 alebo slabom stave (0V).
3. Keď strana Vysoká zmení stav z 1 na 0 alebo z vysokého na nízky (5 V až 0 V)

Keď je dolná strana vysoká, to znamená, že zdrojové napätie MOSFETu je 3,3 V, MOSFET nereaguje kvôli tomu, že sa nedosiahne prahový bod Vgs MOSFETu. V tomto okamihu je brána MOSFETu 3,3 V a zdroj MOSFETu je tiež 3,3 V. Preto je Vgs 0V. MOSFET je vypnutý. Logická hodnota 1 alebo vysoký stav vstupu na nízkej strane sa odráža na odtokovej strane MOSFET ako výstup 5 V cez pullup odpor R2.

V tejto situácii, ak nízka strana MOSFET zmení svoj stav z vysokého na nízky, MOSFET sa začne správať. Zdroj je v logike 0, preto sa z vyššej strany tiež stala 0.

Vyššie uvedené dve podmienky úspešne prevádzajú logický stav nízkeho napätia na logický stav vysokého napätia.

Ďalším funkčným stavom je, keď vysoká strana MOSFET zmení svoj stav z vysokého na nízky. Je to čas, keď začne viesť dióda odtokového substrátu. Nízka strana MOSFET je stiahnutá na nízku úroveň napätia, kým Vgs neprekročí prahový bod. Zbernicové vedenie úseku nízkeho aj vysokého napätia pokleslo na rovnakej úrovni napätia.

Spínacia rýchlosť prevodníka

Ďalším dôležitým parametrom, ktorý je potrebné zohľadniť pri návrhu prevodníka logickej úrovne, je Prechodová rýchlosť. Pretože väčšina logických prevodníkov sa bude používať medzi komunikačnými zbernicami ako USART, I2C atď., Je dôležité, aby sa logický prevodník prepínal dostatočne rýchlo (rýchlosť prechodu), aby zodpovedal prenosovej rýchlosti komunikačných liniek.

Rýchlosť prechodu je rovnaká ako rýchlosť prepínania MOSFET. Preto v našom prípade podľa údajového listu BS170 je čas zapnutia MOSFET a čas vypnutia MOSFET uvedený nižšie. Preto je dôležité zvoliť ten správny MOSFET pre váš návrh prevodníka logickej úrovne.

Takže náš MOSFET tu vyžaduje 10nS na zapnutie a 10nS na vypnutie, čo znamená, že sa môže zapnúť a vypnúť 10,00 000 krát za sekundu. Za predpokladu, že naša komunikačná linka pracuje s rýchlosťou (prenosová rýchlosť) 115 200 bitov za sekundu, znamená to, že sa vypne a vypne iba 1,15 200 za sekundu. Môžeme teda veľmi dobre použiť naše zariadenie aj na komunikáciu s vysokou prenosovou rýchlosťou.

Testovanie vášho logického prevodníka

Na testovanie obvodu sú potrebné nasledujúce komponenty a nástroje -

1. Napájanie s dvoma rôznymi napäťovými výstupmi.
2. Dva multimetre.
3. Dva dotykové spínače.
4. Niekoľko drôtov na pripojenie.

Schéma je upravená tak, aby sa testoval obvod.

Vo vyššie uvedenej schéme sú predstavené dva ďalšie dotykové spínače. Taktiež je pripojený multimetr na kontrolu logického prechodu. Stlačením SW1 dolná strana MOSFET zmení svoj stav z vysokej na nízku a prevodník logickej úrovne pracuje ako prevodník logickej úrovne nízkeho napätia na vysokonapäťový.

Na druhej strane stlačením SW2 vysoká strana MOSFETu zmení svoj stav z vysokého na nízky a prevodník logickej úrovne pracuje ako prevodník logickej úrovne vysokého napätia na nízke napätie.

Obvod je skonštruovaný v doskovej doske a testovaný.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje logický stav na oboch stranách MOSFETu. Oba sú v stave logiky 1.

Celé funkčné video je možné vidieť v nasledujúcom videu.

Obmedzenia prevodníka logickej úrovne

Okruh má určite určité obmedzenia. Obmedzenia veľmi závisia od výberu MOSFET. Maximálne napätie a prúd mozgov môžu byť použité v tomto obvode je závislá na špecifikáciu MOSFET. Minimálne logické napätie je tiež 1,8V. Logické napätie nižšie ako 1,8 V nebude fungovať správne kvôli obmedzeniu Vgs na MOSFET. Pre nižšie napätie ako 1,8 V je možné použiť špeciálne prevodníky logickej úrovne.

Dôležitosť a aplikácie

Ako je uvedené v úvodnej časti, nekompatibilná úroveň napätia v digitálnej elektronike predstavuje problém pre prepojenie a prenos údajov. Preto je potrebný prevodník úrovne alebo posunovač úrovne na prekonanie chýb v obvodoch súvisiacich s úrovňou napätia.

Z dôvodu dostupnosti širokospektrálnych obvodov logickej úrovne na trhu s elektronikou a tiež pre rôzne mikrokontroléry úrovne napätia má radič logickej úrovne neuveriteľný prípad použitia. Niekoľko periférií a starších zariadení, ktoré pracujú na báze I2C, UART alebo zvukových kodekov, potrebujú na komunikáciu s mikrokontrolérom prevodníky úrovní.

Populárne integrované obvody prevodníka logickej úrovne

Existuje veľa výrobcov, ktorí poskytujú integrované riešenia pre prevod logickej úrovne. Jedným z populárnych IC je MAX232. Je to jeden z najbežnejších prevodníkov logickej úrovne IC, ktorý prevádza logické napätie mikrokontroléra 5V na 12V. Port RS232 sa používa na komunikáciu medzi počítačmi s mikrokontrolérom a vyžaduje +/- 12V. Na prepojenie mikrokontroléra s počítačom sme už predtým použili MAX232 s PIC a niekoľkými ďalšími mikrokontrolérmi.

Existujú rôzne požiadavky, ktoré závisia od prevodu veľmi nízkej úrovne napätia, rýchlosti prevodu, priestoru, nákladov atď.

SN74AX je tiež populárna séria obojsmerného prevodníka úrovne napätia od spoločnosti Texas Instruments. V tomto segmente je veľa integrovaných obvodov, ktoré ponúkajú prechod z jednej na 4-bitovú napájaciu zbernicu spolu s ďalšími funkciami.

Ďalším populárnym obojsmerným prevodníkom logických úrovní IC je MAX3394E od spoločnosti Maxim Integrated. Používa rovnakú konverznú topológiu pomocou MOSFET. Schéma pripínania je znázornená na obrázku nižšie. Prevodník podporuje samostatný uvoľňovací pin, ktorý je možné ovládať pomocou mikrokontrolérov, čo je pridaná funkcia.

Vyššie uvedená vnútorná konštrukcia ukazuje rovnakú MOSFET topológiu, ale s konfiguráciou P-kanála. Má veľa ďalších pridaných funkcií, ako napríklad 15kV ESD ochranu na I / O a VCC linkách. Typickú schému je možné vidieť na obrázku nižšie.

Vyššie uvedená schéma zobrazuje obvod, ktorý prevádza logickú úroveň 1,8 V na logickú úroveň 3,3 V a naopak. Ovládač systému, ktorým môže byť akákoľvek jednotka mikrokontroléra, tiež ovláda kolík EN.

Takže toto je všetko o obojsmernom obvode premeny logickej úrovne a fungovaní.