Kettős

Az ENIAC korszakában a számítógépek inkább analóg jellegűek voltak, és nagyon kevés digitális IC-t használtak. Ma egy átlagos Joe számítógép többféle feszültségszinttel működik, azok az emberek, akik látták a processzor SMPS-ét, észrevették, hogy a számítógép működtetéséhez ± 12 V, + 5 V és + 3,3 V szükséges. Ezek a feszültségszintek nagyon fontosak a számítógép számára; egy adott feszültség határozza meg a jel állapotát (magas vagy alacsony). Ezt a magas állapotot a számítógép bináris 1-ként, az alacsony állapotot 0-ként fogadja el. A 0 és 1 feltételektől függően a számítógép adatokat, kódokat és utasításokat állít elő a szükséges kimenet biztosításához.

A modern logikai feszültségszintek nagyrészt 1,8 V és 5 V között változnak. A szokásos logikai feszültség 5 V, 3,3 V, 1,8 V stb. De hogyan kommunikál egy 5 V logikai szinttel dolgozó rendszer vagy vezérlő (példa Arduino) egy másik rendszerrel, amely 3,3 V-mal (ESP8266 példa) vagy bármilyen más feszültséggel működik szint? Ez a szcenárió gyakran előfordul sok kivitelben, ahol több mikrovezérlő van, vagy érzékelőket használnak, és a megoldás itt egy logikai szint átalakító vagy logikai szint váltó használata. Ebben a cikkben többet megtudunk a logikai szint konverterekről, és felépítünk egy egyszerű, kétirányú logikai szint átalakító áramkört is a MOSFET segítségével, ami jól fog jönni az áramkörök kialakításához.

Magas és alacsony szintű bemeneti feszültség

A mikroprocesszor vagy a mikrokontroller oldaláról azonban a logikai feszültségszint értéke nem rögzített; van benne némi tolerancia. Például az 5 V-os logikai szintű mikrovezérlőknél az elfogadott Logic High (1. logika) minimum 2.0V (Minimum High Level Input Voltage) és maximum 5.1V (Maximum High Level Input Voltage). Hasonlóképpen, a logikai alacsony (logikai 0) esetén az elfogadott feszültségérték 0V (minimális alacsony szintű bemeneti feszültség) és maximum 8V (maximális alacsony szintű bemeneti feszültség) között van.

A fenti példa igaz az 5 V-os logikai szintű mikrovezérlőkre, de rendelkezésre állnak 3,3 V-os és 1,8 V-os logikai szintű mikrovezérlők is. Ilyen típusú mikrovezérlőknél a logikai szintű feszültségtartomány változni fog. A vonatkozó információkat az adott vezérlő IC adatlapjáról szerezheti be. A feszültségszint-átalakító használatakor ügyelni kell arra, hogy a magas feszültség és az alacsony feszültség értéke ezen paraméterek határán belül legyen.

Kétirányú logikai szint konverter

Az alkalmazástól és a műszaki felépítéstől függően kétféle szintváltó áll rendelkezésre, egyirányú logikai szint konverter és kétirányú logikai szint konverter. Az egyirányú szintátalakítókban a bemeneti csapok az egyik feszültségtartományhoz vannak rendelve, a kimeneti csapok pedig a másik feszültségtartományhoz vannak rendelve, de ez nem vonatkozik a kétirányú szintátalakítókra, így mindkét irányba képes logikai jeleket átalakítani. A kétirányú szintátalakítóknál minden feszültségtartománynak nem csak bemeneti csapja van, hanem a kimeneti csapja is. Például, ha 5,5 V-ot ad meg a bemeneti oldalon, akkor azt a kimeneti oldalon 3,3 V-ra konvertálja, hasonlóan, ha a kimeneti oldalon 3,3 V-ot ad meg, akkor a bemeneti oldalon 5 V-ra konvertálja.

Ebben az oktatóanyagban felépítünk egy egyszerű kétirányú szintátalakítót, és teszteljük magas és alacsony átalakítás és alacsony vagy magas átalakítás szempontjából.

Egyszerű kétirányú logikai szint konverter

Az alábbi képen egy egyszerű, kétirányú logikai átalakító áramkör látható.

Az áramkör n csatornás MOSFET-et használ az alacsony feszültségű logikai szint átalakításához nagyfeszültségű logikai szintre. Egy egyszerű logikai szintátalakító is felépíthető rezisztív feszültségosztókkal, de ez feszültségveszteséget okoz. A MOSFET vagy tranzisztor alapú logikai szint konverterek professzionálisak, megbízhatóak és biztonságosabbak az integrálásuk.

Az áramkör két további komponenst is használ, R1 és R2. Ezek felhúzható ellenállások. A legkisebb alkatrészszám miatt költséghatékony megoldás is. A fenti áramkörtől függően egy egyszerű 3,3 V-5 V kétirányú logikai átalakítót építenek.

5 V - 3,3 V szint konverter MOSFET használatával

Az 5–3,3 V kétirányú logikai szintátalakító áramkör az alábbi képen látható -

Amint láthatja, 5 V és 3,3 V állandó feszültséget kell biztosítanunk az R1 és R2 ellenállásokhoz. A Low_side_Logic_Input és a High_Side_Logic_Input csapok felcserélhetők bemeneti és kimeneti tűként.

A fenti áramkörben használt alkatrészek a következők

R1 - 4,7k

R2 - 4,7k

Q1 - BS170 (N csatornás MOSFET).

Mindkét ellenállás 1% -ban toleráns. 5% toleranciájú ellenállások is működni fognak. A BS170 MOSFET pinoutsjai az alábbi képen láthatók, a Drain, Gate és Source sorrendben.

Az áramkör felépítése két, egyenként 4,7k ellenállású ellenállásból áll. A lefolyót és a MOSFET forráscsapját a kívánt feszültségszintre (ebben az esetben 5 V és 3,3 V) húzzák fel az alacsony vagy a magas vagy a magas vagy alacsony logikai átalakításhoz. Bármely 1k és 10k közötti értéket is használhat R1 és R2 számára, mivel ezek csak felhúzó ellenállóként működnek.

A tökéletes üzemi állapot érdekében két feltételnek kell megfelelni az áramkör megépítése során. Az első feltétel az, hogy az alacsony szintű logikai feszültséget (ebben az esetben 3,3 V) meg kell kötni a MOSFET forrásával, és a magas szintű logikai feszültséget (ebben az esetben 5 V) a MOSFET lefolyócsapjához kell csatlakoztatni. A második feltétel az, hogy a MOSFET kapuját csatlakoztatni kell a kisfeszültségű tápfeszültséghez (ebben az esetben 3,3 V).

A kétirányú logikai szint konverter szimulációja

A logikai szintű váltó áramkörének teljes működése megérthető a szimulációs eredmények felhasználásával. Amint az az alábbi GIF képen látható, magas szintű és alacsony szintű logikai átalakítás során a logikai bemeneti tű 5V és 0V (föld) között mozog, és a logikai kimenetet 3,3V és 0V értékkel kapjuk meg.

Hasonlóképpen az alacsony szintű és a magas szintű átalakítás során, a logikai bemenet 3,3 V és 0 V között van, az átalakítás 5V és 0V logikai kimenetre történik, amint az az alábbi GIF képen látható.

Logikai szint átalakító áramkör működik

E két feltétel teljesülése után az áramkör három állapotban működik. Az állapotokat az alábbiakban ismertetjük.

1. Amikor az alacsony oldal logikai 1 vagy magas állapotban van (3,3 V).
2. Ha az alsó oldal logikai 0 vagy alacsony állapot (0 V) van.
3. Amikor a Magas oldal megváltoztatja az állapotot 1-ről 0-ra vagy magasról alacsonyra (5 V-ról 0 V-ra)

Ha az alacsony oldal magas, ez azt jelenti, hogy a MOSFET forrásfeszültsége 3,3 V, a MOSFET nem vezet, mivel a MOSFET Vgs küszöbértéke nem érhető el. Ezen a ponton a MOSFET kapuja 3,3 V, és a MOSFET forrása szintén 3,3 V. Ezért a Vgs értéke 0V. A MOSFET ki van kapcsolva. Az alacsony oldali bemenet logikája 1 vagy magas állapota az MOSFET lefolyó oldalán 5 V-os kimenetként tükröződik az R2 húzóellenálláson keresztül.

Ebben a helyzetben, ha a MOSFET alacsony oldala magasról alacsonyra változtatja az állapotát, a MOSFET vezetni kezd. A forrás logikája 0, ezért a magas oldal is 0 lett.

A két feltétel felettiek sikeresen átalakítják a kisfeszültségű logikai állapotot nagyfeszültségű logikai állapotgá.

Egy másik működő állapot az, amikor a MOSFET magas oldala magasról alacsonyra változtatja állapotát. Ez az az idő, amikor a lefolyó hordozó dióda vezetni kezd. A MOSFET alacsony oldalát alacsony feszültségszintre húzzák le, amíg a Vgs nem lépi át a küszöbpontot. A kis- és nagyfeszültségű szakaszok buszvezetéke ugyanazon a feszültségszinten alacsonyra vált.

A konverter kapcsolási sebessége

Egy másik fontos paraméter, amelyet figyelembe kell venni a logikai szint konverter tervezésekor, az Átmenet sebessége. Mivel a legtöbb logikai átalakítót olyan kommunikációs buszok között fogják használni, mint az USART, az I2C stb., Fontos, hogy a logikai átalakító elég gyorsan kapcsoljon (átmeneti sebesség), hogy megfeleljen a kommunikációs vonalak adatátviteli sebességének.

Az átmenet sebessége megegyezik a MOSFET kapcsolási sebességével. Ezért esetünkben a BS170 adatlap szerint az alábbiakban a MOSFET bekapcsolási idejét és a MOSFET kikapcsolási idejét mutatjuk be. Ezért fontos kiválasztani a megfelelő MOSFET-et a logikai szint-átalakító tervezéséhez.

Tehát a MOSFET itt 10nS-t igényel, és 10nS-t kapcsol ki, vagyis 10,00 000-szer képes be- és kikapcsolni egy másodperc alatt. Feltételezve, hogy kommunikációs vonalunk 115200 bit / másodperc sebességgel működik (baud sebességgel), akkor ez azt jelenti, hogy csak 1, 15 200 ki- és bekapcsol egy másodperc alatt. Tehát nagyon jól használhatjuk készülékünket nagy adatátviteli sebességű kommunikációra is.

A Logic Converter tesztelése

Az áramkör teszteléséhez a következő alkatrészekre és eszközökre van szükség:

1. Tápegység két különböző feszültség kimenettel.
2. Két multiméter.
3. Két tapintható kapcsoló.
4. Kevés vezeték a csatlakozáshoz.

A vázlatot az áramkör tesztelésére módosítják.

A fenti vázlatban két további tapintható kapcsolót vezetnek be. Ezenkívül egy multiméter is csatlakozik a logikai átmenet ellenőrzéséhez. Az SW1 megnyomásával a MOSFET alacsony oldala magasról alacsonyra változtatja állapotát, és a logikai szint átalakító alacsony feszültségű és nagy feszültségű logikai szint átalakítóként működik.

Másrészt az SW2 megnyomásával a MOSFET magas oldala magasról alacsonyra változtatja állapotát, és a logikai szint konverter magas feszültség és alacsony feszültség logikai szint konverterként működik.

Az áramkört kenyérlemezbe építik és tesztelik.

A fenti kép a logikai állapotot mutatja a MOSFET mindkét oldalán. Mindkettő Logic 1 állapotban van.

A teljes működő videó az alábbi videóban látható.

A Logic Level Converter korlátai

Az áramkörnek bizonyos korlátai vannak. A korlátozások nagymértékben függenek a MOSFET kiválasztásától. A maximális feszültség és leeresztő áram ebben az áramkörben a MOSFET specifikációjától függ. A minimális logikai feszültség 1,8 V. Az 1,8 V-nál kisebb logikai feszültség nem fog megfelelően működni a MOSFET Vgs korlátozása miatt. Az 1,8 V-nál alacsonyabb feszültség esetén dedikált logikai szint konverterek használhatók.

Fontosság és alkalmazások

Amint azt a bevezető részben tárgyaltuk, a digitális elektronika nem kompatibilis feszültségszintje problémát jelent az interfész és az adatátvitel szempontjából. Ezért szint átalakítóra vagy szint váltóra van szükség az áramkör feszültségszintjével kapcsolatos hibák kiküszöbölésére.

Mivel az elektronikai piacon széles tartományú logikai szintű áramkörök állnak rendelkezésre, és a különböző feszültségszintű mikrovezérlők számára is, a logikai szintű váltó hihetetlen felhasználási esettel rendelkezik. Számos perifériának és régi eszköznek, amelyek I2C, UART vagy audiokodek alapján működnek, szint konverterekre van szükség mikrokontrollerrel történő kommunikáció céljából.

Népszerű Logic Level Converter IC-k

Nagyon sok gyártó kínál integrált megoldásokat a logikai szintű átalakításhoz. Az egyik népszerű IC a MAX232. Ez az egyik legelterjedtebb logikai szint konverter IC, amely átalakítja a mikrovezérlő logikai feszültségét 5 V-ról 12 V-ra. Az RS232 portot a számítógépek és a mikrovezérlő közötti kommunikációra használják, és +/- 12 V szükséges hozzá. Korábban már használtuk a MAX232-et PIC-vel és néhány más mikrovezérlővel a mikrokontroller és a számítógép összekapcsolására.

Különböző követelmények léteznek a nagyon alacsony feszültségszint-átalakítástól, az átalakítási sebességtől, a helytől, a költségektől stb. Függően.

Az SN74AX a Texas Instruments kétirányú feszültségszint-átalakítójának népszerű sorozata is. Nagyon sok IC van ebben a szegmensben, amely egy- és 4-bites ellátó busz átmenetet kínál további funkciókkal együtt.

Egy másik népszerű kétirányú logikai szintátalakító IC a MAX3394E a Maxim Integrated cégtől. Ugyanazt a konverziós topológiát használja a MOSFET használatával. A tűs diagram az alábbi képen látható. Az átalakító külön engedélyező tűt támogat, amelyet mikrovezérlőkkel lehet vezérelni, ami egy további funkció.

A fenti belső felépítés ugyanazt a MOSFET topológiát mutatja, de P-csatorna konfigurációval. Rengeteg extra funkcióval rendelkezik, például 15 kV ESD védelem az I / O és a VCC vonalakon. A tipikus vázlat az alábbi képen látható.

A fenti sematikus ábra azt az áramkört mutatja, amely az 1,8 V-os logikai szintet 3,3 V-os logikai szintre konvertálja, és fordítva. A rendszervezérlő, amely bármilyen mikrovezérlő egység lehet, az EN tűt is vezérli.

Tehát itt minden a kétirányú logikai szintű átalakító áramkörről és a munkáról szól.