Bi

Ja a l’era ENIAC, els ordinadors tenien una naturalesa més analògica i feien servir molt pocs circuits digitals digitals. Avui un ordinador normal de Joe funciona amb diversos nivells de voltatge, les persones que havien vist el SMPS d’una CPU s’haurien adonat que l’ordinador necessita ± 12V, + 5V i + 3,3V per funcionar. Aquests nivells de tensió són molt importants per a un ordinador; una tensió específica determina l’estat del senyal (alt o baix). Aquest estat alt és acceptat per l'ordinador com a binari 1 i l'estat baix com a binari 0. Depenent de la condició 0 i 1, l'ordinador produeix dades, codis i instruccions per proporcionar la sortida necessària.

Els nivells de voltatge lògic moderns varien en gran part d’1,8V a 5V. Les tensions lògiques estàndard són de 5V, 3,3V, 1,8V, etc. Però, com es comunica un sistema o controlador que treballa amb nivell lògic de 5V (exemple Arduino) amb un altre sistema que funciona amb 3,3V (exemple ESP8266) o qualsevol altre voltatge diferent nivell? Aquest escenari sovint es produeix en molts dissenys, on hi ha diversos microcontroladors o s’utilitzen sensors i la solució aquí és utilitzar un convertidor de nivell lògic o un canvi de nivell lògic. En aquest article aprendrem més sobre els convertidors de nivell lògic i també crearem un circuit de conversió de nivell lògic bidireccional senzill mitjançant MOSFET que us serà útil per als vostres dissenys de circuits.

Tensió d'entrada d'alt i baix nivell

Tanmateix, des del microprocessador o el costat del microcontrolador, el valor del nivell de voltatge lògic no és fix; té certa tolerància. Per exemple, la lògica alta acceptada (lògica 1) per als microcontroladors de nivell lògic de 5 V és mínima de 2,0 V (Voltatge d’entrada d’alt nivell mínim) fins a un màxim de 5,1 V (Voltatge d’entrada d’alt nivell màxim). De la mateixa manera, per lògic baix (0 lògic) el valor de tensió acceptada és de 0 V (voltatge d'entrada mínim de nivell baix) fins al màxim de 8V (màxim nivell de tensió baix d'entrada).

L'exemple anterior és cert per als microcontroladors de nivell lògic de 5V, però també hi ha disponibles microcontroladors de nivell lògic de 3,3V i 1,8V. En aquest tipus de microcontroladors, el rang de voltatge del nivell lògic variarà. Podeu obtenir la informació rellevant al full de dades del controlador IC concret. Quan s’utilitza un convertidor de nivell de tensió, s’ha de procurar que el valor d’alta tensió i el valor de baixa tensió estiguin dins del límit d’aquests paràmetres.

Convertidor de nivell lògic bidireccional

Depenent de l'aplicació i la construcció tècnica, hi ha disponibles dos tipus de canvis de nivell: convertidor de nivell lògic unidireccional i convertidor de nivell lògic bidireccional. En els convertidors de nivell unidireccionals, els pins d'entrada es dediquen a un domini de voltatge i els pins de sortida es dediquen a l'altre domini de voltatge, però no és el cas dels convertidors de nivell bidireccionals, ja que poden convertir senyals lògics en ambdues direccions. Per als convertidors de nivell bidireccionals, cada domini de voltatge no només té pins d'entrada, sinó que també té el pin de sortida. Per exemple, si proporcioneu 5,5V al costat d'entrada, el convertirà a 3,3V al costat de sortida, de manera similar si proporcioneu 3,3V al costat de sortida, el convertirà a 5V al costat d'entrada.

En aquest tutorial, crearem un simple convertidor de nivell bidireccional i el provarem de conversió d’ alta a baixa i baixa a alta.

Convertidor de nivell lògic bidireccional simple

A la imatge següent es mostra un simple circuit convertidor de lògica bidireccional.

El circuit utilitza un MOSFET de canal n per convertir el nivell lògic de baixa tensió a un nivell lògic d’alta tensió. També es pot construir un simple convertidor de nivell lògic mitjançant divisors de tensió resistius, però introduirà pèrdues de tensió. Els convertidors de nivell lògic basats en transistors o MOSFET són professionals, fiables i segurs d’integrar.

El circuit també utilitza dos components addicionals, R1 i R2. Són resistències de tracció. A causa del menor nombre de parts, també és una solució rendible. Depenent del circuit anterior, es construirà un simple convertidor lògic bidireccional de 3,3V a 5V.

Convertidor de nivell de 5V a 3,3V mitjançant MOSFET

El circuit convertidor de nivell lògic bidireccional de 5V a 3,3V es pot veure a la imatge següent:

Com podeu veure, hem de proporcionar una tensió constant de 5V i 3,3V a les resistències R1 i R2. Els pins Low_side_Logic_Input i High_Side_Logic_Input es poden utilitzar indistintament com a pins d’entrada i sortida.

Els components utilitzats en el circuit anterior són

R1 - 4.7k

R2 - 4,7k

Q1 - BS170 (MOSFET de canal N).

Ambdues resistències són tolerants a l’1%. Les resistències amb un 5% de tolerància també funcionaran. Els pinouts del BS170 MOSFET es poden veure a la imatge següent, que es troba en l’ordre Drain, Gate i Source.

La construcció del circuit consta de dues resistències pull up de 4,7 k cadascuna. El drenatge i el pin de la font del MOSFET s'eleven fins al nivell de voltatge desitjat (en aquest cas 5V i 3,3V) per a la conversió lògica de baixa a alta o alta a baixa. També podeu utilitzar qualsevol valor entre 1k i 10k per a R1 i R2, ja que només actuen com a resistències pull up.

Per obtenir un estat de treball perfecte, hi ha dues condicions que s’han de complir durant la construcció del circuit. La primera condició és que el voltatge lògic de baix nivell (3,3 V en aquest cas) requereixi que estigui connectat amb la font del MOSFET i que el voltatge lògic d’alt nivell (5 V en aquest cas) s’hagi de connectar al pin de drenatge del MOSFET. La segona condició és que la porta del MOSFET ha d’estar connectada a l’alimentació de baixa tensió (3,3 V en aquest cas).

Simulació de convertidor de nivell lògic bidireccional

El funcionament complet del circuit de canvi de nivell lògic es pot entendre utilitzant resultats de simulació. Com podeu veure a la imatge GIF següent, durant la conversió lògica d’alt nivell a nivell baix, el pin d’entrada de la lògica es desplaça entre 5V i 0V (terra) i la sortida lògica s’obté com a 3,3V i 0V.

De la mateixa manera, durant la conversió de nivell baix a alt, l'entrada lògica està entre 3,3 V i 0 V es converteix en sortida lògica de 5 V i 0 V, tal com es mostra a la imatge GIF següent.

El circuit del convertidor de nivell lògic funciona

Després de complir aquestes dues condicions, el circuit funciona en tres estats. Els estats es descriuen a continuació.

1. Quan el costat baix està en estat lògic 1 o alt (3,3V).
2. Quan el costat baix està en estat lògic 0 o baix (0V).
3. Quan el costat alt canvia l'estat d'1 a 0 o d'alt a baix (5V a 0V)

Quan el costat baix és alt, això significa que el voltatge de la font del MOSFET és de 3,3 V, el MOSFET no es condueix a causa que el punt llindar de Vgs del MOSFET no s’aconsegueix. En aquest punt, la porta del MOSFET és de 3,3 V i la font del MOSFET també és de 3,3 V. Per tant, Vgs és 0V. El MOSFET està desactivat. La lògica 1 o estat elevat de l’entrada lateral baixa es reflecteix al costat de drenatge del MOSFET com a sortida de 5V a través de la resistència de tracció R2.

En aquesta situació, si el costat baix del MOSFET canvia el seu estat de més alt a més baix, el MOSFET comença a dirigir-se. La font es troba en la lògica 0, per tant, el costat alt també es va convertir en 0.

Aquelles situades per sobre de dues condicions converteixen amb èxit l'estat lògic de baixa tensió en un estat lògic d'alta tensió.

Un altre estat de treball és quan el costat alt del MOSFET canvia el seu estat de més alt a més baix. És el moment en què el díode del substrat de drenatge comença a conduir-se. El costat baix de MOSFET es baixa cap a un nivell de baixa tensió fins que els Vgs creuen el punt llindar. La línia d'autobús de la secció de baixa i alta tensió es va reduir al mateix nivell de tensió.

Velocitat de commutació del convertidor

Un altre paràmetre important a tenir en compte a l’hora de dissenyar un convertidor de nivell lògic és la velocitat de transició. Atès que la majoria dels convertidors lògics s’utilitzaran entre busos de comunicació com USART, I2C, etc., és important que el convertidor lògic canviï prou ràpid (velocitat de transició) perquè coincideixi amb la velocitat en bauds de les línies de comunicació.

La velocitat de transició és la mateixa que la velocitat de commutació del MOSFET. Per tant, en el nostre cas, segons el full de dades BS170, a continuació s’indica el temps d’activació del MOSFET i el temps d’activació del MOSFET. Per tant, és important seleccionar el MOSFET adequat per al disseny del convertidor de nivell lògic.

Per tant, el nostre MOSFET requereix 10nS per activar-se i 10nS per apagar-se, és a dir, es pot activar i desactivar 10,00.000 vegades en un segon. Suposant que la nostra línia de comunicació funciona a una velocitat de (velocitat de transmissió) de 115.200 bits per segon, significa que només s’activa i s’apaga 1.15.200 en un segon. Així doncs, també podem fer servir el nostre dispositiu per a comunicacions amb alta velocitat de transmissió.

Prova del convertidor de lògica

Els components i les eines següents són necessaris per provar el circuit:

1. Font d'alimentació amb dues sortides de tensió diferents.
2. Dos multímetres.
3. Dos interruptors tàctils.
4. Pocs cables per a la connexió.

Es modifica l'esquema per provar el circuit.

En l'esquema anterior, s'introdueixen dos commutadors tàctils addicionals. A més, s’adjunta un multímetre per comprovar la transició lògica. En prémer SW1, el costat baix del MOSFET canvia el seu estat de més alt a més baix i el convertidor de nivell lògic funciona com un convertidor de nivell lògic de baix voltatge a alt voltatge.

D'altra banda, prement SW2, el costat alt del MOSFET canvia el seu estat de més alt a més baix i el convertidor de nivell lògic funciona com un convertidor de nivell lògic d'alta tensió a baix voltatge.

El circuit està construït en una taula de proves i provat.

La imatge superior mostra l'estat lògic a banda i banda del MOSFET. Tots dos es troben en estat de lògica 1.

El vídeo de treball complet es pot veure al següent vídeo.

Limitacions del convertidor de nivell lògic

El circuit té certes limitacions. Les limitacions depenen molt de la selecció del MOSFET. El voltatge màxim i el corrent de drenatge que es poden utilitzar en aquest circuit depenen de les especificacions del MOSFET. A més, la tensió lògica mínima és d’1,8V. Menys d’1,8 V de tensió lògica no funcionarà correctament a causa de la limitació de Vgs del MOSFET. Per a voltatges inferiors a 1,8 V, es poden utilitzar convertidors de nivell lògic dedicats.

Importància i aplicacions

Com es va comentar a la part introductòria, el nivell de voltatge incompatible en electrònica digital és un problema per a la interfície i la transmissió de dades. Per tant, es necessita un convertidor de nivell o un canvi de nivell per superar els errors relacionats amb el nivell de tensió als circuits.

A causa de la disponibilitat de circuits de nivell lògic d’àmplia gamma al mercat de l’electrònica i també per als diferents microcontroladors de nivell de voltatge, el canvi de nivell lògic té un cas d’ús increïble. Diversos perifèrics i dispositius antics que funcionen basats en codecs d’àudio, I2C o U2, necessiten convertidors de nivell per comunicar-se amb un microcontrolador.

Circuits integrats populars del convertidor de nivell lògic

Hi ha molts fabricants que ofereixen solucions integrades per a la conversió de nivell lògic. Un dels IC populars és MAX232. És un dels convertidors de nivell lògic IC més comuns que converteix el voltatge lògic del microcontrolador de 5V a 12V. El port RS232 s’utilitza per comunicar-se entre ordinadors amb un microcontrolador i requereix +/- 12V. Ja hem utilitzat MAX232 amb PIC i pocs altres microcontroladors abans per connectar un microcontrolador amb l’ordinador.

També existeixen diferents requisits en funció de la conversió del nivell de voltatge molt baix, la velocitat de conversió, l’espai, el cost, etc.

SN74AX és també una popular sèrie de convertidors de nivell de voltatge bidireccionals de Texas Instruments. Hi ha un munt d’IC en aquest segment que ofereix una transició de bus de subministrament d’un bit a 4 bits juntament amb funcions addicionals.

Un altre popular convertidor de nivell lògic bidireccional IC és el MAX3394E de Maxim Integrated. Utilitza la mateixa topologia de conversió mitjançant MOSFET. El diagrama de pins es pot veure a la imatge següent. El convertidor admet pin d'habilitació independent que es pot controlar mitjançant microcontroladors, que és una característica addicional.

La construcció interna anterior mostra la mateixa topologia MOSFET però amb configuració de canal P. Té moltes funcions addicionals addicionals, com ara protecció ESD de 15 kV a les línies d'E / S i VCC. L'esquema típic es pot veure a la imatge següent.

L'esquema anterior mostra un circuit que està convertint el nivell lògic d'1,8V a un nivell lògic de 3,3V i viceversa. El controlador del sistema que pot ser qualsevol unitat de microcontrolador també controla el pin EN.

Per tant, tot es tracta d’un circuit de conversió de nivell lògic bidireccional i de funcionament.