Bi

În epoca ENIAC, computerele aveau o natură mai analogică și foloseau foarte puține circuite integrate digitale. Astăzi, un computer obișnuit al lui Joe funcționează cu mai multe niveluri de tensiune, oamenii care au văzut SMPS-ul unui procesor ar fi observat că computerul dvs. necesită ± 12V, + 5V și + 3,3V pentru a funcționa. Aceste niveluri de tensiune sunt foarte importante pentru un computer; o tensiune specifică determină starea semnalului (ridicat sau scăzut). Această stare înaltă este acceptată de computer ca binară 1 și starea joasă ca binară 0. În funcție de condiția 0 și 1 computerul produce date, coduri și instrucțiuni pentru a furniza ieșirea necesară.

Nivelurile de tensiune logică moderne variază în mare măsură de la 1,8V la 5V. Tensiunile logice standard sunt de 5V, 3,3V, 1,8V etc. Dar, cum comunică un sistem sau controler care funcționează cu nivel logic de 5V (exemplu Arduino) cu un alt sistem care funcționează cu 3,3V (exemplu ESP8266) sau orice altă tensiune diferită? nivel? Acest scenariu apare adesea în multe modele, în care există mai multe microcontrolere sau se folosesc senzori, iar soluția aici este să utilizați un convertor de nivel logic sau un schimbător de nivel logic. În acest articol vom afla mai multe despre convertoarele de nivel logice și vom construi, de asemenea, un circuit de convertor de nivel logic bidirecțional simplu utilizând MOSFET, care va fi util pentru proiectarea circuitelor dvs.

Tensiune de intrare de nivel înalt și nivel scăzut

Cu toate acestea, din partea microprocesorului sau a microcontrolerului, valoarea nivelului de tensiune logică nu este fixă; are o oarecare toleranță cu el. De exemplu, Logic High acceptat (logic 1) pentru microcontrolerele de nivel logic de 5V este de minim 2,0V (tensiune minimă de intrare de nivel înalt) până la maxim 5,1V (tensiune maximă de intrare de nivel înalt). În mod similar, pentru logică scăzută (logică 0) valoarea tensiunii acceptate este de la 0V (tensiune minimă de intrare de nivel scăzut) până la maxim de 8V (tensiune maximă de intrare de nivel scăzut).

Exemplul de mai sus este adevărat pentru microcontrolerele de nivel logic de 5V, dar sunt disponibile și microcontrolere de nivel logic de 3,3V și 1,8V. În acest tip de microcontrolere, gama de tensiune a nivelului logic va varia. Puteți obține informațiile relevante din fișa tehnică a controlerului IC respectiv. Când utilizați un convertor de nivel de tensiune, trebuie să aveți grijă ca valoarea de înaltă tensiune și valoarea de tensiune scăzută să fie în limita acestor parametri.

Convertor de nivel logic bidirecțional

În funcție de aplicație și construcția tehnică, sunt disponibile două tipuri de schimbătoare de nivel, Convertorul de nivel logic unidirecțional și Convertorul de nivel logic bidirecțional. În convertoarele de nivel unidirecționale, pinii de intrare sunt dedicați pentru un domeniu de tensiune, iar pinii de ieșire sunt dedicați pentru celălalt domeniu de tensiune, dar acest lucru nu este cazul pentru convertoarele de nivel bidirecționale, acesta poate converti semnale logice în ambele direcții. Pentru convertoarele de nivel bidirecționale, fiecare domeniu de tensiune nu numai că are pini de intrare, ci are și pinul de ieșire. De exemplu, dacă furnizați 5.5V la partea de intrare, acesta îl va converti la 3.3V pe partea de ieșire, în mod similar, dacă furnizați 3.3V la partea de ieșire, îl va converti la 5V pe partea de intrare.

În acest tutorial, vom construi un convertor de nivel bidirecțional simplu și îl vom testa pentru conversie de la înalt la scăzut și de la scăzut la înalt.

Convertor de nivel logic bi-direcțional simplu

Un circuit convertor logic logic bidirecțional simplu este prezentat în imaginea de mai jos.

Circuitul folosește un MOSFET cu canal n pentru a converti nivelul logic de joasă tensiune la un nivel logic de înaltă tensiune. Un convertor simplu de nivel logic poate fi, de asemenea, construit folosind divizoare de tensiune rezistive, dar va introduce pierderi de tensiune. MOSFET sau convertoarele de nivel logic bazate pe tranzistori sunt profesionale, fiabile și mai sigure de integrat.

Circuitul folosește, de asemenea, două componente suplimentare, R1 și R2. Acestea sunt rezistențe pull-up. Datorită numărului redus de piese, este și o soluție rentabilă. În funcție de circuitul de mai sus, va fi construit un convertor logic bidirecțional simplu de 3,3V la 5V.

Convertor de nivel de 5V la 3,3V folosind MOSFET

5V la 3.3V bi-directionala nivel logic convertor de circuit poate fi văzut în imaginea de mai jos -

După cum puteți vedea, trebuie să oferim o tensiune constantă de 5V și 3,3V rezistențelor R1 și R2. Pinii Low_side_Logic_Input și High_Side_Logic_Input pot fi folosiți interschimbabil ca pin de intrare și ieșire.

Componentele utilizate în circuitul de mai sus sunt

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (MOSFET canal N).

Ambele rezistențe sunt 1% tolerante. Rezistențele cu toleranță de 5% vor funcționa, de asemenea. Pinout-urile BS170 MOSFET pot fi văzute în imaginea de mai jos, care este în ordinea Drain, Gate și Source.

Construcția circuitului constă din două rezistențe de tracțiune de 4,7k fiecare. Scurgerea și pinul sursă al MOSFET sunt trase la nivelul dorit de tensiune (în acest caz 5V și 3,3V) pentru conversia logică de la scăzut la înalt sau de la scăzut la scăzut. De asemenea, puteți utiliza orice valoare cuprinsă între 1k și 10k pentru R1 și R2, deoarece acționează doar ca rezistențe pull up.

Pentru starea de lucru perfectă, există două condiții care trebuie îndeplinite în timpul construirii circuitului. Prima condiție este, tensiunea logică de nivel scăzut (3,3V în acest caz) necesită conectarea la sursa MOSFET și tensiunea logică de nivel înalt (5V în acest caz) trebuie conectată la știftul de scurgere al MOSFET. A doua condiție este că poarta MOSFET trebuie conectată la sursa de joasă tensiune (3,3V în acest caz).

Simularea convertorului de nivel logic bidirecțional

Funcționarea completă a circuitului schimbătorului de nivel logic poate fi înțeleasă prin utilizarea rezultatelor simulării. După cum puteți vedea în imaginea GIF de mai jos, în timpul conversiei logice de nivel înalt la nivel scăzut, pinul de intrare logică este deplasat între 5V și 0V (masă), iar ieșirea logică este obținută ca 3.3V și 0V.

În mod similar, în timpul conversiei de nivel scăzut la nivel înalt, intrarea logică este între 3,3V și 0V este convertită în ieșire logică de 5V și 0V, așa cum se arată în imaginea GIF de mai jos.

Circuitul convertorului de nivel logic funcționează

După îndeplinirea acestor două condiții, circuitul funcționează în trei stări. Stările sunt descrise mai jos.

1. Când partea joasă este în stare logică 1 sau înaltă (3,3V).
2. Când partea de jos este în logică 0 sau în stare joasă (0V).
3. Când partea înaltă schimbă starea de la 1 la 0 sau înaltă la joasă (5V la 0V)

Când partea joasă este ridicată, aceasta înseamnă că tensiunea sursă a MOSFET este de 3,3 V, MOSFET-ul nu conduce din cauza pragului Vgs al MOSFET-ului nu este atins. În acest moment, poarta MOSFET este de 3,3V, iar sursa MOSFET-ului este de asemenea de 3,3V. Prin urmare, Vgs este 0V. MOSFET-ul este dezactivat. Logica 1 sau starea ridicată a intrării laterale joase se reflectă pe partea de scurgere a MOSFET ca o ieșire de 5V prin intermediul rezistenței de tracțiune R2.

În această situație, dacă partea joasă a MOSFET își schimbă starea de la mare la mic, MOSFET începe să conducă. Sursa se află în logica 0, prin urmare partea superioară a devenit și 0.

Cele de mai sus de două condiții convertesc cu succes starea logică de joasă tensiune într-o stare logică de înaltă tensiune.

O altă stare de lucru este atunci când partea înaltă a MOSFET își schimbă starea de la mare la scăzută. Este momentul în care dioda substratului de scurgere începe să conducă. Partea joasă MOSFET este trasă în jos la un nivel de tensiune scăzută până când Vg-urile trec punctul de prag. Linia de autobuz a secțiunii de joasă și înaltă tensiune a devenit scăzută la același nivel de tensiune.

Viteza de comutare a convertorului

Un alt parametru important de luat în considerare la proiectarea unui convertor de nivel logic este viteza de tranziție. Deoarece majoritatea convertoarelor logice vor fi utilizate între magistralele de comunicații precum USART, I2C etc. este important ca convertorul logic să treacă suficient de rapid (viteza de tranziție) pentru a se potrivi cu rata de transmisie a liniilor de comunicație.

Viteza de tranziție este aceeași cu viteza de comutare a MOSFET-ului. Prin urmare, în cazul nostru, conform fișei tehnice BS170, timpul de pornire al MOSFET și timpul de oprire al MOSFET sunt indicate mai jos. Prin urmare, este important să selectați MOSFET-ul potrivit pentru proiectarea convertorului de nivel logic.

Deci, MOSFET-ul nostru de aici necesită 10nS pentru a porni și 10nS pentru a opri, ceea ce înseamnă că se poate activa și dezactiva de 10,00.000 de ori într-o secundă. Presupunând că linia noastră de comunicații funcționează la o viteză de (viteză baud) 115200 biți pe secundă, atunci înseamnă că se oprește și se oprește doar 1.15.200 într-o secundă. Așadar, putem folosi foarte bine dispozitivul nostru și pentru comunicarea cu viteză mare.

Testarea convertorului logic

Următoarele componente și instrumente sunt necesare pentru a testa circuitul -

1. Alimentare cu două ieșiri de tensiune diferite.
2. Doi multimetri.
3. Două comutatoare tactile.
4. Câteva fire pentru conectare.

Schema este modificată pentru a testa circuitul.

În schema de mai sus, sunt introduse două comutatoare tactile suplimentare. De asemenea, este atașat un multimetru pentru a verifica tranziția logică. Prin apăsarea SW1, partea de jos a MOSFET își schimbă starea de la înalt la scăzut, iar convertorul de nivel logic funcționează ca un convertor de nivel logic de joasă tensiune la înaltă tensiune.

Pe de altă parte, prin apăsarea SW2, partea înaltă a MOSFET își schimbă starea de la mare la scăzut, iar convertorul de nivel logic funcționează ca un convertor de nivel logic de înaltă tensiune la joasă tensiune.

Circuitul este construit într-o placă de testare și testat.

Imaginea de mai sus arată starea logică de pe ambele părți ale MOSFET. Ambele sunt în starea Logic 1.

Videoclipul complet de lucru poate fi văzut în videoclipul de mai jos.

Limitări ale convertorului de nivel logic

Circuitul are cu siguranță unele limitări. Limitările depind în mare măsură de selectarea MOSFET. Tensiunea maximă și curentul de scurgere poate fi utilizat în acest circuit este dependentă de specificațiile MOSFET. De asemenea, tensiunea logică minimă este de 1,8V. Tensiunea logică mai mică de 1,8 V nu va funcționa corect din cauza limitării Vgs a MOSFET-ului. Pentru tensiuni mai mici de 1,8 V, pot fi utilizate convertoare de nivel logice dedicate.

Importanță și aplicații

După cum sa discutat în partea introductivă, nivelul de tensiune incompatibil în electronica digitală este o problemă pentru interfață și transmisie de date. Prin urmare, este necesar un convertor de nivel sau un schimbător de nivel pentru a depăși erorile legate de nivelul de tensiune din circuit.

Datorită disponibilității circuitelor de nivel logic cu gamă largă pe piața electronică și, de asemenea, pentru diferitele microcontrolere de nivel de tensiune, schimbătorul de nivel logic are un caz de utilizare incredibil. Mai multe periferice și dispozitive vechi care funcționează pe baza codurilor I2C, UART sau audio, au nevoie de convertoare de nivel în scopuri de comunicare cu un microcontroler.

IC-uri populare ale convertorului de nivel logic

Există mulți producători care oferă soluții integrate pentru conversia nivelului logic. Unul dintre IC-urile populare este MAX232. Este unul dintre cele mai comune convertoare de nivel logice IC care convertește tensiunea logică a microcontrolerului de 5V la 12V. Portul RS232 este utilizat pentru a comunica între calculatoare cu un microcontroler și necesită +/- 12V. Am folosit deja MAX232 cu PIC și alte câteva microcontrolere anterior pentru a interfața un microcontroler cu computerul.

Există, de asemenea, cerințe diferite, în funcție de conversia nivelului de tensiune foarte scăzut, viteza de conversie, spațiu, cost etc.

SN74AX este, de asemenea, o serie populară de convertoare de nivel de tensiune bidirecționale de către Texas Instruments. Există o mulțime de circuite integrate în acest segment care oferă o tranziție a magistralei de alimentare de la un singur bit la 4 biți, împreună cu caracteristici suplimentare.

Un alt convertor IC de nivel logic bi-direcțional popular este MAX3394E de la Maxim Integrated. Folosește aceeași topologie de conversie folosind MOSFET. Diagrama pin poate fi văzută în imaginea de mai jos. Convertorul acceptă pin de activare separat care poate fi controlat cu ajutorul microcontrolerelor, care este o caracteristică adăugată.

Construcția internă de mai sus prezintă aceeași topologie MOSFET, dar cu configurație canal P. Are o mulțime de funcții suplimentare, cum ar fi protecția ESD de 15 kV pe liniile I / O și VCC. Schema tipică poate fi văzută în imaginea de mai jos.

Schema de mai sus prezintă un circuit care convertește nivelul logic de 1,8V la un nivel logic de 3,3V și invers. Controlerul de sistem care poate fi orice unitate de microcontroler controlează și pinul EN.

Deci, aici este vorba despre circuitul de conversie a nivelului logicii bidirecționale și despre funcționare.