Би

Еще в эпоху ENIAC компьютеры были более аналоговыми по своей природе и использовали очень мало цифровых ИС. Сегодня средний компьютер Джо работает с несколькими уровнями напряжения, люди, которые видели SMPS процессора, заметили бы, что вашему компьютеру для работы требуется ± 12 В, + 5 В и + 3,3 В. Эти уровни напряжения очень важны для компьютера; определенное напряжение определяет состояние сигнала (высокий или низкий). Это высокое состояние принимается компьютером как двоичная 1, а низкое состояние - как двоичное 0. В зависимости от состояния 0 и 1 компьютер выдает данные, коды и инструкции для обеспечения требуемого вывода.

Уровни напряжения современной логики в основном варьируются от 1,8 В до 5 В. Стандартные логические напряжения составляют 5 В, 3,3 В, 1,8 В и т. Д. Но как система или контроллер, работающие с логическим уровнем 5 В (пример Arduino), связываются с другой системой, которая работает с 3,3 В (пример ESP8266) или любым другим другим напряжением? уровень? Этот сценарий часто встречается во многих проектах, где используется несколько микроконтроллеров или датчиков, и решение здесь состоит в использовании преобразователя логического уровня или переключателя логического уровня. В этой статье мы узнаем больше о преобразователях логического уровня, а также построим простую схему двунаправленного преобразователя логического уровня с использованием полевого МОП-транзистора, который пригодится для разработки ваших схем.

Входное напряжение высокого и низкого уровня

Однако со стороны микропроцессора или микроконтроллера значение уровня логического напряжения не является фиксированным; у него есть некоторая терпимость к этому. Например, допустимый высокий логический уровень (логическая 1) для микроконтроллеров с логическим уровнем 5 В составляет от минимум 2,0 В (минимальное входное напряжение высокого уровня) до максимум 5,1 В (максимальное входное напряжение высокого уровня). Аналогично, для низкого логического уровня (логический 0) допустимое значение напряжения составляет от 0 В (минимальное входное напряжение низкого уровня) до максимального 8 В (максимальное входное напряжение низкого уровня).

Приведенный выше пример справедлив для микроконтроллеров логического уровня 5 В, но также доступны микроконтроллеры логического уровня 3,3 В и 1,8 В. В микроконтроллерах такого типа диапазон напряжения логического уровня может быть разным. Вы можете получить соответствующую информацию из таблицы данных конкретного контроллера IC. При использовании преобразователя уровня напряжения следует следить за тем, чтобы значение высокого и низкого напряжения находилось в пределах этих параметров.

Двунаправленный преобразователь логического уровня

В зависимости от применения и технической конструкции доступны два типа переключателей уровня: однонаправленный логический преобразователь уровня и двунаправленный логический преобразователь уровня. В однонаправленных преобразователях уровня входные контакты предназначены для одной области напряжения, а выходные контакты предназначены для другой области напряжения, но это не относится к двунаправленным преобразователям уровня, которые могут преобразовывать логические сигналы в обоих направлениях. Для двунаправленных преобразователей уровня каждая область напряжения имеет не только входные контакты, но также и выходные контакты. Например, если вы предоставите 5,5 В для входной стороны, он преобразует его в 3,3 В на выходной стороне, аналогично, если вы предоставите 3,3 В для выходной стороны, он преобразует его в 5 В. на входной стороне.

В этом уроке мы создадим простой двунаправленный преобразователь уровня и протестируем его на преобразование из высокого в низкий и из низкого в высокий.

Простой двунаправленный преобразователь логического уровня

Схема простого двунаправленного логического преобразователя показана на рисунке ниже.

В схеме используется n-канальный MOSFET для преобразования логического уровня низкого напряжения в логический уровень высокого напряжения. Простой преобразователь логического уровня также может быть построен с использованием резистивных делителей напряжения, но это приведет к потере напряжения. Преобразователи логических уровней на основе МОП-транзисторов или транзисторов являются профессиональными, надежными и безопасными для интеграции.

В схеме также используются два дополнительных компонента, R1 и R2. Это подтягивающие резисторы. Благодаря наименьшему количеству деталей это также экономичное решение. В зависимости от приведенной выше схемы будет построен простой двунаправленный логический преобразователь с 3,3 В до 5 В.

Преобразователь уровня 5V в 3.3V с использованием MOSFET

5V к 3.3V двунаправленного преобразователя логического уровня схемы можно видеть на рисунке ниже -

Как видите, на резисторы R1 и R2 необходимо подавать постоянное напряжение 5 В и 3,3 В. Штифты Low_side_Logic_Input и High_Side_Logic_Input могут быть использованы взаимозаменяемо в качестве входных и выходных контактов.

В приведенной выше схеме используются следующие компоненты:

R1 - 4,7 км

R2 - 4,7 км

Q1 - BS170 (N-канальный MOSFET).

Оба резистора имеют допуск на 1%. Также подойдут резисторы с допуском 5%. Распайка из BS170 полевого МОП - транзистора можно увидеть на изображении ниже, который в порядке Drain, ворота и источник.

Конструкция схемы состоит из двух подтягивающих резисторов по 4,7 кОм каждый. Сток и исток МОП-транзистора подтягиваются до желаемого уровня напряжения (в данном случае 5 В и 3,3 В) для преобразования логики из низкого в высокий или из высокого в низкий. Вы также можете использовать любое значение от 1 кОм до 10 кОм для R1 и R2, поскольку они действуют только как подтягивающие резисторы.

Для идеального рабочего состояния необходимо соблюдение двух условий при построении схемы. Первое условие: логическое напряжение низкого уровня (3,3 В в данном случае) должно быть подключено к истоку полевого МОП-транзистора, а логическое напряжение высокого уровня (в данном случае 5 В) должно быть подключено к выводу стока полевого МОП-транзистора. Второе условие: затвор полевого МОП-транзистора должен быть подключен к источнику низкого напряжения (в данном случае 3,3 В).

Моделирование двунаправленного логического преобразователя уровня

Полную работу схемы переключателя логического уровня можно понять, используя результаты моделирования. Как вы можете видеть на изображении ниже в формате GIF, во время преобразования логики высокого уровня в низкий логический входной вывод смещается между 5 В и 0 В (земля), а на выходе получается 3,3 В и 0 В.

Точно так же во время преобразования низкого уровня в высокий уровень логического входа между 3,3 В и 0 В преобразуется в логический выход 5 В и 0 В, как показано на изображении GIF ниже.

Схема работы преобразователя логического уровня

После выполнения этих двух условий схема работает в трех состояниях. Состояния описаны ниже.

1. Когда сторона низкого уровня находится в состоянии логической 1 или высокого уровня (3,3 В).
2. Когда сторона низкого уровня находится в состоянии логического 0 или низкого уровня (0 В).
3. Когда сторона высокого уровня меняет состояние с 1 на 0 или с высокого на низкий (с 5 В на 0 В)

Когда на стороне низкого уровня высокий уровень, это означает, что напряжение источника MOSFET составляет 3,3 В, MOSFET не проводит ток из-за того, что пороговая точка Vgs MOSFET не достигается. На данный момент затвор полевого МОП-транзистора составляет 3,3 В, а исток полевого МОП-транзистора также составляет 3,3 В. Следовательно, Vgs равен 0 В. MOSFET выключен. Логическая 1 или высокое состояние входа нижней стороны отражается на стороне стока полевого МОП-транзистора как выход 5 В через подтягивающий резистор R2.

В этой ситуации, если нижняя сторона полевого МОП-транзистора меняет свое состояние с высокого на низкое, полевой МОП-транзистор начинает проводить. Источник находится в логическом 0, следовательно, высокий уровень также стал 0.

Эти два условия успешно преобразуют логическое состояние низкого напряжения в логическое состояние высокого напряжения.

Другое рабочее состояние - это когда сторона высокого напряжения полевого МОП-транзистора меняет свое состояние с высокого на низкое. Это время, когда диод дренажной подложки начинает проводить. Сторона низкого уровня MOSFET опускается до низкого уровня напряжения, пока Vgs не пересечет пороговую точку. Шина как секции низкого, так и высокого напряжения стала низкой при одинаковом уровне напряжения.

Скорость переключения конвертера

Еще один важный параметр, который следует учитывать при разработке преобразователя логического уровня, - это скорость перехода. Поскольку большинство логических преобразователей будет использоваться между коммуникационными шинами, такими как USART, I2C и т. Д., Важно, чтобы логический преобразователь переключался достаточно быстро (скорость перехода), чтобы соответствовать скорости передачи данных в линиях связи.

Скорость перехода такая же, как и скорость переключения полевого МОП-транзистора. Следовательно, в нашем случае, согласно таблице данных BS170, время включения полевого МОП-транзистора и время выключения полевого МОП-транзистора указано ниже. Следовательно, важно выбрать правильный MOSFET для вашей конструкции преобразователя логического уровня.

Таким образом, нашему MOSFET требуется 10 нс для включения и 10 нс для выключения, то есть он может включаться и выключаться 10 000 000 раз за одну секунду. Предполагая, что наша линия связи работает со скоростью (скорость передачи) 115200 бит в секунду, это означает, что она отключается и выключается только 1,15 200 за одну секунду. Таким образом, мы вполне можем использовать наше устройство для связи с высокой скоростью передачи данных.

Тестирование вашего логического преобразователя

Для проверки схемы требуются следующие компоненты и инструменты:

1. Источник питания с двумя разными выходами напряжения.
2. Два мультиметра.
3. Два тактильных переключателя.
4. Мало проводов для подключения.

Схема изменена для проверки цепи.

На приведенной выше схеме представлены два дополнительных тактильных переключателя. Также прилагается мультиметр для проверки логического перехода. При нажатии SW1 сторона низкого напряжения полевого МОП-транзистора меняет свое состояние с высокого на низкое, и преобразователь логического уровня работает как преобразователь логического уровня низкого напряжения в высокий.

С другой стороны, при нажатии SW2 сторона высокого напряжения полевого МОП-транзистора меняет свое состояние с высокого на низкое, и преобразователь логического уровня работает как преобразователь логического уровня высокого напряжения в низкое.

Схема собрана на макетной плате и протестирована.

На рисунке выше показано логическое состояние обеих сторон полевого МОП-транзистора. Оба находятся в состоянии логики 1.

Полное рабочее видео можно посмотреть в видео ниже.

Ограничения преобразователя логического уровня

Схема конечно имеет некоторые ограничения. Ограничения сильно зависят от выбора полевого МОП-транзистора. Максимальное напряжение и ток стока может быть использован в этой схеме зависит от спецификации МОП ПТ. Кроме того, минимальное логическое напряжение составляет 1,8 В. Логическое напряжение ниже 1,8 В не будет работать должным образом из-за ограничения Vgs полевого МОП-транзистора. Для напряжения ниже 1,8 В можно использовать специальные преобразователи логического уровня.

Важность и применение

Как обсуждалось во вводной части, несовместимый уровень напряжения в цифровой электронике является проблемой для сопряжения и передачи данных. Следовательно, требуется преобразователь уровня или устройство сдвига уровня для устранения ошибок, связанных с уровнем напряжения в схеме.

Из-за наличия на рынке электроники схем логического уровня с широким диапазоном, а также для микроконтроллеров с разным уровнем напряжения, переключатель логического уровня имеет невероятное применение. Некоторым периферийным устройствам и устаревшим устройствам, которые работают на основе I2C, UART или аудиокодека, требуются преобразователи уровня для связи с микроконтроллером.

Популярные ИС преобразователя логического уровня

Многие производители предоставляют интегрированные решения для преобразования логического уровня. Одна из популярных микросхем - MAX232. Это один из наиболее распространенных преобразователей логического уровня IC, который преобразует логическое напряжение микроконтроллера с 5 В в 12 В. Порт RS232 используется для связи между компьютерами с микроконтроллером и требует +/- 12 В. Ранее мы уже использовали MAX232 с PIC и несколькими другими микроконтроллерами для взаимодействия микроконтроллера с компьютером.

Существуют также различные требования в зависимости от преобразования очень низкого уровня напряжения, скорости преобразования, места, стоимости и т. Д.

SN74AX также является популярной серией двунаправленных преобразователей уровня напряжения от Texas Instruments. В этом сегменте много микросхем, которые предлагают переход шины питания с одного бита на 4-разрядный, а также дополнительные функции.

Еще одна популярная микросхема двунаправленного преобразователя логических уровней - MAX3394E от Maxim Integrated. Он использует ту же топологию преобразования с использованием MOSFET. Схему выводов можно увидеть на изображении ниже. Конвертер поддерживает отдельный вывод включения, которым можно управлять с помощью микроконтроллеров, что является дополнительной функцией.

Вышеупомянутая внутренняя конструкция показывает ту же топологию MOSFET, но с конфигурацией P-канала. Он имеет множество дополнительных дополнительных функций, таких как защита от электростатического разряда 15 кВ на линиях ввода-вывода и VCC. Типичную схему можно увидеть на изображении ниже.

На приведенной выше схеме показана схема, которая преобразует логический уровень 1,8 В в логический уровень 3,3 В и наоборот. Системный контроллер, которым может быть любой микроконтроллер, также управляет контактом EN.

Итак, это все о схеме двунаправленного преобразования логического уровня и работе.