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Nell'era ENIAC, i computer erano più di natura analogica e utilizzavano pochissimi circuiti integrati digitali. Oggi un computer medio di Joe funziona con più livelli di tensione, le persone che avevano visto l'SMPS di una CPU avrebbero notato che il tuo computer richiede ± 12V, + 5V e + 3.3V per funzionare. Questi livelli di tensione sono molto importanti per un computer; una specifica tensione determina lo stato del segnale (alto o basso). Questo stato alto è accettato dal computer come binario 1 e lo stato basso come binario 0. A seconda della condizione 0 e 1, il computer produce dati, codici e istruzioni per fornire l'output richiesto.

I livelli di tensione logica moderna variano ampiamente da 1,8 V a 5 V. Le tensioni logiche standard sono 5 V, 3,3 V, 1,8 V, ecc. livello? Questo scenario si verifica spesso in molti progetti, in cui sono presenti più microcontrollori o sensori e la soluzione qui è utilizzare un convertitore di livello logico o un cambio di livello logico. In questo articolo impareremo di più sui convertitori di livello logico e costruiremo anche un semplice circuito convertitore di livello logico bidirezionale utilizzando MOSFET che tornerà utile per i progetti dei tuoi circuiti.

Tensione di ingresso di alto livello e basso livello

Tuttavia, dal lato del microprocessore o del microcontrollore, il valore del livello di tensione logica non è fisso; ha una certa tolleranza con esso. Ad esempio, la logica alta accettata (logica 1) per microcontrollori a livello logico 5V è compresa tra un minimo di 2,0 V (tensione di ingresso di livello alto minimo) e un massimo di 5,1 V (tensione di ingresso di livello alto massimo). Allo stesso modo, per la logica bassa (0 logico) il valore di tensione accettato va da 0V (tensione di ingresso di livello basso minimo) al massimo di 8V (tensione di ingresso di livello basso massimo).

L'esempio sopra è vero per microcontrollori a livello logico 5V, ma sono disponibili anche microcontrollori a livello logico 3,3V e 1,8V. In questo tipo di microcontrollori, l'intervallo di tensione del livello logico varierà. È possibile ottenere le informazioni pertinenti dalla scheda tecnica di quel particolare controller IC. Quando si utilizza un convertitore di livello di tensione, è necessario prestare attenzione che il valore di alta tensione e il valore di bassa tensione siano entro il limite di questi parametri.

Convertitore di livello logico bidirezionale

A seconda dell'applicazione e della costruzione tecnica, sono disponibili due tipi di traslatori di livello, convertitore di livello logico unidirezionale e convertitore di livello logico bidirezionale. Nei convertitori di livello unidirezionali, i pin di ingresso sono dedicati per un dominio di tensione e i pin di uscita sono dedicati per l'altro dominio di tensione, ma questo non è il caso dei convertitori di livello bidirezionali che possono convertire segnali logici in entrambe le direzioni. Per i convertitori di livello bidirezionali, ogni dominio di tensione non solo ha pin di ingresso ma ha anche il pin di uscita. Ad esempio, se fornisci 5,5 V al lato di ingresso, lo convertirà in 3,3 V sul lato di uscita, allo stesso modo se fornisci 3,3 V al lato di uscita, lo convertirà in 5 V sul lato di ingresso.

In questo tutorial, costruiremo un semplice convertitore di livello bidirezionale e lo testeremo per la conversione da alto a basso e per la conversione da basso ad alto.

Convertitore di livello logico bidirezionale semplice

Un semplice circuito convertitore logico bidirezionale è mostrato nell'immagine sottostante.

Il circuito utilizza un MOSFET a canale n per convertire il livello logico a bassa tensione in un livello logico ad alta tensione. Un semplice convertitore di livello logico può anche essere costruito utilizzando divisori di tensione resistivi, ma introdurrà una perdita di tensione. I convertitori di livello logico basati su MOSFET o transistor sono professionali, affidabili e più sicuri da integrare.

Il circuito utilizza anche due componenti aggiuntivi, R1 e R2. Quelle sono resistenze di pull-up. A causa del numero di pezzi più basso, è anche una soluzione conveniente. A seconda del circuito di cui sopra, verrà costruito un semplice convertitore logico bidirezionale da 3,3 V a 5 V.

Convertitore di livello da 5 V a 3,3 V utilizzando MOSFET

Il circuito del convertitore di livello logico bidirezionale da 5 V a 3,3 V può essere visto nell'immagine sottostante -

Come puoi vedere dobbiamo fornire una tensione costante di 5V e 3.3V ai resistori R1 e R2. I pin Low_side_Logic_Input e High_Side_Logic_Input possono essere utilizzati in modo intercambiabile come pin di input e output.

I componenti utilizzati nel circuito di cui sopra sono

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (MOSFET a canale N).

Entrambi i resistori tollerano l'1%. Funzioneranno anche resistori con una tolleranza del 5%. I piedini del MOSFET BS170 possono essere visti nell'immagine sottostante che è nell'ordine Drain, Gate e Source.

La costruzione del circuito è costituita da due resistori pull up da 4.7k ciascuno. Lo scarico e il pin sorgente del MOSFET vengono portati al livello di tensione desiderato (in questo caso 5 V e 3,3 V) per la conversione logica da basso ad alto o da alto a basso. Puoi anche usare qualsiasi valore compreso tra 1k e 10k per R1 e R2 poiché agiscono solo come resistenze di pull up.

Per il perfetto stato di funzionamento, ci sono due condizioni che devono essere soddisfatte durante la costruzione del circuito. La prima condizione è che la tensione logica di basso livello (3.3V in questo caso) deve essere collegata alla sorgente del MOSFET e la tensione logica di alto livello (5V in questo caso) deve essere collegata al pin di drain del MOSFET. La seconda condizione è che il gate del MOSFET deve essere collegato all'alimentazione a bassa tensione (3,3 V in questo caso).

Simulazione del convertitore di livello logico bidirezionale

Il funzionamento completo del circuito del cambio di livello logico può essere compreso utilizzando i risultati della simulazione. Come puoi vedere nell'immagine GIF qui sotto, durante la conversione logica da alto livello a basso livello il pin di ingresso logico viene spostato tra 5 V e 0 V (massa) e l'uscita logica viene ottenuta come 3,3 V e 0 V.

Allo stesso modo durante la conversione da basso livello a alto livello, l'ingresso logico è compreso tra 3,3 V e 0 V viene convertito in uscita logica di 5 V e 0 V come mostrato nell'immagine GIF sottostante.

Circuito del convertitore di livello logico funzionante

Dopo aver soddisfatto queste due condizioni, il circuito funziona in tre stati. Gli stati sono descritti di seguito.

1. Quando il lato basso è in stato logico 1 o alto (3,3 V).
2. Quando il lato basso è in stato logico 0 o basso (0V).
3. Quando il lato alto cambia lo stato da 1 a 0 o da alto a basso (da 5V a 0V)

Quando il lato basso è alto, significa che la tensione sorgente del MOSFET è 3,3 V, il MOSFET non conduce a causa del punto di soglia Vgs del MOSFET non raggiunto. A questo punto il gate del MOSFET è 3,3V e anche la sorgente del MOSFET è 3,3V. Pertanto, Vgs è 0V. Il MOSFET è spento. Lo stato logico 1 o alto dell'ingresso lato basso si riflette sul lato di drenaggio del MOSFET come un'uscita a 5 V tramite il resistore di pullup R2.

In questa situazione, se il lato basso del MOSFET cambia il suo stato da alto a basso, il MOSFET inizia a condurre. La sorgente è in logica 0, quindi anche il lato alto è diventato 0.

Quelle sopra le due condizioni convertono con successo lo stato logico a bassa tensione in uno stato logico ad alta tensione.

Un altro stato di funzionamento è quando il lato alto del MOSFET cambia il suo stato da alto a basso. È il momento in cui il diodo del substrato di drenaggio inizia a condurre. Il lato basso del MOSFET viene abbassato a un livello di bassa tensione finché il Vgs non supera il punto di soglia. La linea bus di entrambe le sezioni a bassa e alta tensione è diventata bassa allo stesso livello di tensione.

Velocità di commutazione del convertitore

Un altro parametro importante da considerare quando si progetta un convertitore di livello logico è la velocità di transizione. Poiché la maggior parte dei convertitori logici verrà utilizzata tra bus di comunicazione come USART, I2C ecc., È importante che il convertitore logico commuti abbastanza velocemente (velocità di transizione) da corrispondere alla velocità di trasmissione delle linee di comunicazione.

La velocità di transizione è la stessa della velocità di commutazione del MOSFET. Quindi nel nostro caso secondo la scheda tecnica BS170, il tempo di accensione del MOSFET e il tempo di spegnimento del MOSFET sono indicati di seguito. Quindi è importante selezionare il MOSFET giusto per il progetto del convertitore di livello logico.

Quindi il nostro MOSFET qui richiede 10nS per accendersi e 10nS per spegnersi, il che significa che può accendersi e spegnersi 10.000.000 volte in un secondo. Supponendo che la nostra linea di comunicazione funzioni a una velocità di (baud rate) 115200 bit al secondo, significa che si spegne e si spegne solo 1,15,200 in un secondo. Quindi possiamo usare molto bene il nostro dispositivo anche per comunicazioni ad alta velocità di trasmissione.

Testare il tuo convertitore logico

I seguenti componenti e strumenti sono necessari per testare il circuito:

1. Alimentatore con due differenti tensioni di uscita.
2. Due multimetri.
3. Due interruttori tattili.
4. Pochi fili per il collegamento.

Lo schema viene modificato per testare il circuito.

Nello schema sopra, vengono introdotti due interruttori tattili aggiuntivi. Inoltre, è collegato un multimetro per controllare la transizione logica. Premendo SW1, il lato basso del MOSFET cambia il suo stato da alto a basso e il convertitore di livello logico funziona come un convertitore di livello logico da bassa tensione ad alta tensione.

D'altra parte, premendo SW2, il lato alto del MOSFET cambia il suo stato da alto a basso e il convertitore di livello logico funziona come un convertitore di livello logico da alta tensione a bassa tensione.

Il circuito è costruito in una breadboard e testato.

L'immagine sopra mostra lo stato logico su entrambi i lati del MOSFET. Entrambi sono nello stato Logica 1.

Il video completo di lavoro può essere visto nel video qui sotto.

Limitazioni del convertitore di livello logico

Il circuito ha sicuramente dei limiti. Le limitazioni dipendono fortemente dalla selezione del MOSFET. La tensione massima e la corrente di drain che possono essere utilizzate in questo circuito dipendono dalle specifiche del MOSFET. Inoltre, la tensione logica minima è 1,8 V. Una tensione logica inferiore a 1,8 V non funzionerà correttamente a causa della limitazione Vgs del MOSFET. Per tensioni inferiori a 1,8 V, è possibile utilizzare convertitori di livello logico dedicati.

Importanza e applicazioni

Come discusso nella parte introduttiva, il livello di tensione incompatibile nell'elettronica digitale è un problema per l'interfacciamento e la trasmissione dei dati. Pertanto, è necessario un convertitore di livello o un traslatore di livello per superare gli errori relativi al livello di tensione nel circuito.

A causa della disponibilità di circuiti a livello logico ad ampia gamma nel mercato dell'elettronica e anche per i diversi microcontrollori a livello di tensione, il cambio di livello logico ha un caso d'uso incredibile. Diverse periferiche e dispositivi legacy che funzionano in base a I2C, UART o codec audio, necessitano di convertitori di livello per scopi di comunicazione con un microcontrollore.

Convertitori di livello logico popolari IC

Ci sono molti produttori che forniscono soluzioni integrate per la conversione del livello logico. Uno dei circuiti integrati popolari è MAX232. È uno dei più comuni convertitori di livello logico IC che converte la tensione logica del microcontrollore da 5V a 12V. La porta RS232 viene utilizzata per comunicare tra computer con un microcontrollore e richiede +/- 12V. Abbiamo già utilizzato MAX232 con PIC e pochi altri microcontrollori in precedenza per interfacciare un microcontrollore con il computer.

Esistono anche requisiti diversi a seconda della conversione del livello di tensione molto basso, velocità di conversione, spazio, costo, ecc.

SN74AX è anche una popolare serie di convertitori di livello di tensione bidirezionali di Texas Instruments. Ci sono molti circuiti integrati in questo segmento che offrono una transizione del bus di alimentazione da singolo bit a 4 bit insieme a funzionalità aggiuntive.

Un altro popolare convertitore di livello logico bidirezionale IC è MAX3394E di Maxim Integrated. Utilizza la stessa topologia di conversione utilizzando MOSFET. Il diagramma dei pin può essere visto nell'immagine sottostante. Il convertitore supporta pin di abilitazione separati che possono essere controllati utilizzando microcontrollori, che è una caratteristica aggiuntiva.

La costruzione interna sopra mostra la stessa topologia MOSFET ma con configurazione a canale P. Ha molte funzionalità aggiuntive aggiuntive come la protezione ESD da 15 kV sulle linee I / O e VCC. Lo schema tipico può essere visto nell'immagine sottostante.

Lo schema sopra mostra un circuito che converte il livello logico di 1,8 V in un livello logico di 3,3 V e viceversa. Il controller di sistema che può essere qualsiasi unità microcontrollore controlla anche il pin EN.

Quindi, questo è tutto sul circuito di conversione del livello logico bidirezionale e sul funzionamento.