Bi

Vēl ENIAC laikmetā datori bija analogāki un izmantoja ļoti maz digitālo IC. Šodien vidēji Džo dators darbojas ar vairākiem sprieguma līmeņiem, cilvēki, kuri bija redzējuši procesora SMPS, būtu pamanījuši, ka jūsu datora darbībai ir nepieciešami ± 12V, + 5V un + 3.3V. Šie sprieguma līmeņi ir ļoti svarīgi datoram; īpašs spriegums nosaka signāla stāvokli (augsts vai zems). Dators šo augsto stāvokli pieņem kā bināru 1, bet zemo - kā 0. Atkarībā no stāvokļa 0 un 1 dators ražo datus, kodus un instrukcijas, lai nodrošinātu nepieciešamo izvadi.

Mūsdienu loģiskā sprieguma līmeņi lielā mērā svārstās no 1,8V līdz 5V. Standarta loģiskie spriegumi ir 5 V, 3,3 V, 1,8 V uc līmenī? Šis scenārijs bieži notiek daudzos dizainos, kur ir vairāki mikrokontrolleri vai tiek izmantoti sensori, un šeit risinājums ir izmantot loģiskā līmeņa pārveidotāju vai loģiskā līmeņa pārslēdzēju. Šajā rakstā mēs uzzināsim vairāk par loģiskā līmeņa pārveidotājiem, kā arī izveidosim vienkāršu divvirzienu loģiskā līmeņa pārveidotāja shēmu, izmantojot MOSFET, kas noderēs jūsu ķēžu dizainam.

Augsta līmeņa un zema līmeņa ieejas spriegums

Tomēr no mikroprocesora vai mikrokontrollera puses loģiskā sprieguma līmeņa vērtība nav fiksēta; tam ir zināma tolerance. Piemēram, 5V loģiskā līmeņa mikrokontrolleriem pieņemtais Logic High (loģika 1) ir minimālais 2,0 V (minimālais augsta līmeņa ieejas spriegums) līdz maksimālais 5,1 V (maksimālais augsta līmeņa ieejas spriegums). Līdzīgi, ja loģiski zems (loģika 0), pieņemtā sprieguma vērtība ir no 0V (minimālais zemā līmeņa ieejas spriegums) līdz maksimālajam 8V (maksimālais zemā līmeņa ieejas spriegums).

Iepriekš minētais piemērs attiecas uz 5 V loģiskā līmeņa mikrokontrolleriem, taču ir pieejami arī 3,3 V un 1,8 V loģiskā līmeņa mikrokontrolleri. Šāda veida mikrokontrolleros loģiskā līmeņa sprieguma diapazons būs atšķirīgs. Attiecīgo informāciju varat iegūt konkrētā kontroliera IC datu lapā. Izmantojot sprieguma līmeņa pārveidotāju, jārūpējas par to, lai augstsprieguma un zemsprieguma vērtība būtu šo parametru robežās.

Divvirzienu loģiskā līmeņa pārveidotājs

Atkarībā no pielietojuma un tehniskās konstrukcijas ir pieejami divu līmeņu pārslēgu veidi - vienvirziena loģiskā līmeņa pārveidotājs un divvirzienu loģiskā līmeņa pārveidotājs. Vienvirziena līmeņa pārveidotājos ieejas tapas ir paredzētas vienam sprieguma domēnam, bet izejas tapas ir paredzētas otram sprieguma domēnam, bet tas nav gadījumā ar divvirzienu līmeņa pārveidotājiem, un tas var pārveidot loģiskos signālus abos virzienos. Divvirzienu līmeņa pārveidotājiem katram sprieguma domēnam ir ne tikai ieejas tapas, bet arī izejas tapa. Piemēram, ja ievades pusē sniedzat 5,5 V, tas izejas pusē pārveidos to par 3,3 V, līdzīgi, ja izejas pusē nodrošināsit 3,3 V, tas ieejas pusē pārveidos par 5 V.

Šajā apmācībā mēs izveidosim vienkāršu divvirzienu līmeņa pārveidotāju un pārbaudīsim, vai tā ir augsta vai zema un zemu - augsta.

Vienkāršs divvirzienu loģiskā līmeņa pārveidotājs

Vienkārša divvirzienu loģiskā pārveidotāja ķēde ir parādīta zemāk esošajā attēlā.

Shēma izmanto n-kanālu MOSFET, lai pārveidotu zemsprieguma loģikas līmeni par augstsprieguma loģikas līmeni. Izmantojot pretestības sprieguma dalītājus, var izveidot arī vienkāršu loģiskā līmeņa pārveidotāju, taču tas izraisīs sprieguma zudumu. Uz MOSFET vai uz tranzistoriem balstīti loģikas līmeņa pārveidotāji ir profesionāli, uzticami un drošāk integrējami.

Kontūrā tiek izmantoti arī divi papildu komponenti - R1 un R2. Tie ir pievilkšanas rezistori. Zemāko daļu skaita dēļ arī tas ir rentabls risinājums. Atkarībā no iepriekš minētās shēmas tiks uzbūvēts vienkāršs divvirzienu loģiskais pārveidotājs no 3,3 V līdz 5 V.

5V līdz 3.3V līmeņa pārveidotājs, izmantojot MOSFET

5V uz 3.3V divvirzienu loģikas līmeņa pārveidotāja ķēdes var redzēt zemāk attēlā -

Kā redzat, rezistoriem R1 un R2 ir jānodrošina pastāvīgs spriegums 5 V un 3,3 V. Piespraudes Low_side_Logic_Input un High_Side_Logic_Input var savstarpēji aizstāt kā ievades un izvades tapas.

Iepriekš minētajā ķēdē izmantotie komponenti ir

R1 - 4,7 tūkst

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (N kanāla MOSFET).

Abi rezistori ir 1% toleranti. Darbosies arī rezistori ar 5% pielaidi. BS170 MOSFET pinouts ir redzami zemāk esošajā attēlā, kas ir secībā Drain, Gate un Source.

Kontūras konstrukcija sastāv no diviem pievilkšanas rezistoriem 4,7k katram. Drenāža un MOSFET avota tapa tiek novilkta līdz vēlamajam sprieguma līmenim (šajā gadījumā 5 V un 3,3 V), lai pārveidotu no zemas līdz augstai vai no augšas līdz zemai. R1 un R2 var izmantot arī jebkuru vērtību no 1k līdz 10k, jo tie darbojas tikai kā pievilkšanas rezistori.

Lai izveidotu nevainojamu darba stāvokli, konstruējot ķēdi, ir jāievēro divi nosacījumi. Pirmais nosacījums ir tāds, ka zema līmeņa loģiskajam spriegumam (šajā gadījumā 3,3 V) ir jābūt savienotam ar MOSFET avotu un augsta līmeņa loģiskajam spriegumam (šajā gadījumā 5 V) jābūt savienotam ar MOSFET iztukšošanas tapu. Otrais nosacījums ir tāds, ka MOSFET vārti ir jāpievieno zemsprieguma padevei (šajā gadījumā 3,3 V).

Divvirzienu loģiskā līmeņa pārveidotāja simulācija

Loģiskā līmeņa pārslēdzēja ķēdes pilnīgu darbību var saprast, izmantojot simulācijas rezultātus. Kā redzat zemāk redzamajā GIF attēlā, loģiskās pārveidošanas laikā no augsta līmeņa līdz zemam līmenim loģikas ievades tapa tiek pārvietota starp 5V un 0V (zemējums), un loģiskā izeja tiek iegūta kā 3.3V un 0V.

Līdzīgi zemas un augsta līmeņa pārveidošanas laikā loģiskā ieeja ir no 3,3 V līdz 0 V, tiek pārveidota par 5 V un 0 V loģisko izvadi, kā parādīts zemāk esošajā GIF attēlā.

Loģiskā līmeņa pārveidotāja ķēdes darbība

Pēc šo divu nosacījumu izpildes ķēde darbojas trīs stāvokļos. Stāvokļi ir aprakstīti turpmāk.

1. Kad zemā puse atrodas 1. loģikā vai augstā stāvoklī (3,3 V).
2. Kad zemā puse ir loģiskā 0 vai zemā stāvoklī (0V).
3. Kad augstā puse maina stāvokli no 1 līdz 0 vai augstu uz zemu (no 5V līdz 0V)

Kad zemā puse ir augsta, tas nozīmē, ka MOSFET avota spriegums ir 3,3 V, MOSFET neveic, jo netiek sasniegts MOSFET Vgs sliekšņa punkts. Šajā brīdī MOSFET vārti ir 3.3V, un MOSFET avots ir arī 3.3V. Tāpēc Vgs ir 0V. MOSFET ir izslēgts. 1. loģika vai zemas puses ieejas augstais stāvoklis atspoguļojas MOSFET iztukšošanas pusē kā 5 V izeja caur pievilkšanas rezistoru R2.

Šajā situācijā, ja MOSFET zemā puse maina stāvokli no augsta uz zemu, MOSFET sāk vadīt. Avots loģikā ir 0, tāpēc arī augstā puse kļuva par 0.

Tie, kas atrodas virs diviem nosacījumiem, veiksmīgi pārveido zemsprieguma loģisko stāvokli par augstsprieguma loģisko stāvokli.

Cits darba stāvoklis ir tad, kad MOSFET augstā puse maina stāvokli no augsta uz zemu. Tas ir laiks, kad drenāžas substrāta diode sāk vadīt. MOSFET zemā puse tiek pievilkta līdz zema sprieguma līmenim, līdz Vgs šķērso sliekšņa punktu. Gan zema, gan augstsprieguma sekciju kopnes līnija kļuva zema tajā pašā sprieguma līmenī.

Pārveidotāja pārslēgšanās ātrums

Vēl viens svarīgs parametrs, kas jāņem vērā, izstrādājot loģiskā līmeņa pārveidotāju, ir pārejas ātrums. Tā kā lielākā daļa loģisko pārveidotāju tiks izmantoti starp sakaru kopnēm, piemēram, USART, I2C utt., Ir svarīgi, lai loģiskais pārveidotājs pārslēgtos pietiekami ātri (pārejas ātrums), lai tas atbilstu sakaru līniju pārraides ātrumam.

Pārejas ātrums ir tāds pats kā MOSFET pārslēgšanās ātrums. Tādējādi mūsu gadījumā saskaņā ar BS170 datu lapu MOSFET ieslēgšanās laiks un MOSFET izslēgšanās laiks ir norādīts zemāk. Tāpēc ir svarīgi izvēlēties pareizo MOSFET jūsu loģiskā līmeņa pārveidotāja dizainam.

Tātad mūsu MOSFET šeit prasa 10nS ieslēgšanos un 10nS izslēgšanos, kas nozīmē, ka tas vienā sekundē var ieslēgties un izslēgt 10,00 000 reizes. Pieņemot, ka mūsu sakaru līnija darbojas ar ātrumu (bitu pārraides ātrums) 115200 biti sekundē, tad tas nozīmē, ka vienā sekundē tas izslēdz un izslēdz tikai 1,15 200. Tāpēc mēs ļoti labi varam izmantot savu ierīci arī liela datu pārraides ātruma saziņai.

Logic Converter pārbaude

Lai pārbaudītu ķēdi, ir nepieciešami šādi komponenti un rīki -

1. Barošanas avots ar divām dažādām sprieguma izejām.
2. Divi multimetri.
3. Divi taustāmi slēdži.
4. Daži vadi savienošanai.

Shēma ir modificēta, lai pārbaudītu ķēdi.

Iepriekš minētajā shēmā ir ieviesti divi papildu taustes slēdži. Arī, lai pārbaudītu loģisko pāreju, ir pievienots multimetrs. Nospiežot SW1, MOSFET zemā puse maina stāvokli no augsta uz zemu, un loģiskā līmeņa pārveidotājs darbojas kā zema sprieguma līdz augstsprieguma loģiskā līmeņa pārveidotājs.

No otras puses, nospiežot SW2, MOSFET augstā puse maina stāvokli no augsta uz zemu, un loģiskā līmeņa pārveidotājs darbojas kā augstsprieguma līdz zemsprieguma loģikas līmeņa pārveidotājs.

Kontūra ir izveidota maizes dēļā un pārbaudīta.

Iepriekš redzamais attēls parāda loģikas stāvokli abās MOSFET pusēs. Abas ir 1. loģikas stāvoklī.

Pilns darba video ir redzams zemāk esošajā video.

Loģiskā līmeņa pārveidotāja ierobežojumi

Ķēdei noteikti ir daži ierobežojumi. Ierobežojumi ir ļoti atkarīgi no MOSFET izvēles. Maksimālais spriegums un drenāžas strāva var izmantot šajā ķēdē ir atkarīga no MOSFET specifikācijai. Arī minimālais loģiskais spriegums ir 1,8 V. Mazāks par 1,8 V loģiskais spriegums nedarbosies pareizi, pateicoties MOSFET Vgs ierobežojumam. Zemākam par 1,8 V spriegumam var izmantot īpašus loģikas līmeņa pārveidotājus.

Nozīme un pielietojums

Kā apspriests ievaddaļā, nesaderīgs sprieguma līmenis digitālajā elektronikā ir saskarnes un datu pārraides problēma. Tāpēc, lai pārvarētu ar spriegumu saistītās kļūdas shēmā, ir nepieciešams līmeņa pārveidotājs vai līmeņa pārslēdzējs.

Sakarā ar plaša spektra loģisko līmeņu ķēžu pieejamību elektronikas tirgū un arī dažādiem sprieguma līmeņa mikrokontrolleriem, loģiskā līmeņa pārslēdzējam ir neticami lietojams gadījums. Vairākām perifērijas ierīcēm un mantotajām ierīcēm, kas darbojas, pamatojoties uz I2C, UART vai audio kodeku, komunikācijas nolūkos ar mikrokontrolleru ir nepieciešami līmeņa pārveidotāji.

Populāras loģiskā līmeņa pārveidotāja IC

Ir daudz ražotāju, kas nodrošina integrētus risinājumus loģikas līmeņa pārveidošanai. Viens no populārajiem IC ir MAX232. Tas ir viens no visbiežāk sastopamajiem loģiskā līmeņa pārveidotājiem IC, kas pārveido mikrokontrolleru loģisko spriegumu 5V uz 12V. RS232 ports tiek izmantots, lai sazinātos starp datoriem ar mikrokontrolleru, un tam nepieciešams +/- 12 V. Mēs jau iepriekš izmantojām MAX232 ar PIC un dažiem citiem mikrokontrolleriem, lai mikrokontrolleru saskarnei pievienotu datoru.

Pastāv arī dažādas prasības, kas atkarīgas no ļoti zema sprieguma līmeņa pārveidošanas, pārveidošanas ātruma, vietas, izmaksām utt.

SN74AX ir arī Texas Instruments populāra divvirzienu sprieguma līmeņa pārveidotāja sērija. Šajā segmentā ir daudz IC, kas piedāvā viena un 4 bitu piegādes kopnes pāreju kopā ar papildu funkcijām.

Vēl viens populārs divvirzienu loģiskā līmeņa pārveidotāja IC ir MAX3394E no Maxim Integrated. Tas izmanto to pašu konversijas topoloģiju, izmantojot MOSFET. Adatu diagramma ir redzama zemāk esošajā attēlā. Pārveidotājs atbalsta atsevišķu iespējošanas tapu, kuru var vadīt, izmantojot mikrokontrollerus, kas ir papildu funkcija.

Iepriekš minētā iekšējā konstrukcija parāda to pašu MOSFET topoloģiju, bet ar P-kanālu konfigurāciju. Tam ir daudz papildu pievienotu funkciju, piemēram, 15 kV ESD aizsardzība I / O un VCC līnijās. Tipisko shēmu var redzēt zemāk esošajā attēlā.

Iepriekš sniegtā shēma parāda ķēdi, kas pārveido 1,8 V loģikas līmeni par 3,3 V loģikas līmeni un otrādi. Sistēmas kontrolieris, kas var būt jebkura mikrokontrollera vienība, kontrolē arī EN tapu.

Tātad, tas viss attiecas uz divvirzienu loģikas līmeņa pārveidošanas ķēdi un darbu.