Bi

Tilbake i ENIAC-tiden var datamaskiner mer analoge og brukte svært få digitale IC-er. I dag fungerer en gjennomsnittlig Joe-datamaskin med flere spenningsnivåer. Folk som hadde sett SMPS til en CPU, ville ha lagt merke til at datamaskinen din krever ± 12V, + 5V og + 3.3V for å fungere. Disse spenningsnivåene er veldig viktige for en datamaskin; en bestemt spenning bestemmer tilstanden til signalet (høyt eller lavt). Denne høye tilstanden aksepteres av datamaskinen som binær 1 og lav tilstand som binær 0. Avhengig av tilstanden 0 og 1 produserer datamaskinen data, koder og instruksjoner for å gi nødvendig utdata.

Moderne logiske spenningsnivåer varierer stort sett fra 1,8V til 5V. Standard logiske spenninger er 5V, 3.3V, 1.8V osv. Men hvordan kommuniserer et system eller en kontroller som arbeider med 5V logikknivå (eksempel Arduino) med et annet system som fungerer med 3,3V (eksempel ESP8266) eller annen spenning nivå? Dette scenariet forekommer ofte i mange design, hvor det er flere mikrokontroller eller sensorer som brukes, og løsningen her er å bruke en Logic Level Converter eller Logic Level Shifter. I denne artikkelen vil vi lære mer om Logic Level Converters, og vi vil også bygge en enkel toveis Logic Level-omformerkrets ved hjelp av MOSFET, som vil være nyttig for kretsdesignene dine.

Inngangsspenning på høyt nivå og på lavt nivå

Imidlertid, fra mikroprosessoren eller mikrokontrollersiden, er ikke logisk spenningsnivåverdi fast; den har litt toleranse med seg. For eksempel er den aksepterte Logic High (logic 1) for 5V logic level microcontrollers minimum 2.0V (Minimum High Level Input Voltage) til maksimalt 5.1V (Maximum High Level Input Voltage). Tilsvarende, for logisk lav (logikk 0), er den aksepterte spenningsverdien fra 0V (Minimum lavt nivå inngangsspenning) til maksimum 8V (Maksimum lavt nivå inngangsspenning).

Ovenstående eksempel gjelder for 5V mikrokontrollere på logisk nivå, men 3,3V og 1,8V mikrokontrollere på logisk nivå er også tilgjengelig. I en slik type mikrokontrollere vil spenningsområdet for det logiske nivået variere. Du kan få relevant informasjon fra databladet til den aktuelle kontrolleren IC. Når du bruker en spenningsnivåomformer, må du være forsiktig med at høyspenningsverdien og lavspenningsverdien ligger innenfor grensen til disse parametrene.

Toveis logisk nivåomformer

Avhengig av programmet og teknisk konstruksjon, to typer nivå Shifters er tilgjengelige, Enveis logisk nivå Converter og Toveis Logic nivå Converter. I ensrettede nivåomformere er inngangspinnene dedikert til ett spenningsdomene og utgangspinnene er dedikert til det andre spenningsdomenet, men dette er ikke tilfelle for toveis nivåomformere, det kan konvertere logiske signaler i begge retninger. For to-retningsnivåomformere har hvert spenningsdomene ikke bare inngangspinner, men har også utgangspinne. For eksempel hvis du gir 5.5V til inngangssiden, vil den konvertere den til 3.3V på utgangssiden, på samme måte hvis du gir 3.3V til utgangssiden, vil den konvertere den til 5V på inngangssiden.

I denne opplæringen vil vi bygge en enkel toveis nivåomformer og teste den for høy til lav konvertering og lav til høy konvertering.

Enkel toveis logisk nivåomformer

En enkel toveis logisk omformerkrets er vist i bildet nedenfor.

Kretsen bruker en n-kanal MOSFET for å konvertere det lave spenningslogiske nivået til et høyt spenningslogisk nivå. En enkel logisk nivåomformer kan også bygges ved hjelp av resistive spenningsdelere, men det vil introdusere spenningstap. MOSFET eller transistorbaserte logiske nivåomformere er profesjonelle, pålitelige og tryggere å integrere.

Kretsen bruker også to ekstra komponenter, R1 og R2. Dette er motstander som kan trekkes opp. På grunn av det laveste antallet er det også en kostnadseffektiv løsning. Avhengig av kretsen ovenfor, vil det bli konstruert en enkel 3,3V til 5V toveis logisk omformer.

5V til 3.3V nivåomformer ved bruk av MOSFET

Den 5V til 3,3 V toveis logikknivå-omformer krets kan ses i nedenstående bilde -

Som du kan se, må vi gi en konstant spenning på 5V og 3,3V til motstandene R1 og R2. Pinnene Low_side_Logic_Input og High_Side_Logic_Input kan brukes om hverandre som inngangs- og utgangspinner.

Komponentene som er brukt i kretsen ovenfor er

R1 - 4,7 k

R2 - 4,7 k

Q1 - BS170 (N-kanal MOSFET).

Begge motstandene er 1% tolerante. Motstander med 5% toleranse vil også fungere. Pinouts av BS170 MOSFET kan sees i bildet nedenfor, som er i rekkefølgen Drain, Gate og Source.

Kretskonstruksjonen består av to trekkmotstander på 4,7 k hver. Avløp og kilepinnen til MOSFET trekkes opp til ønsket spenningsnivå (i dette tilfellet 5V og 3,3V) for lav til høy eller høy til lav logisk konvertering. Du kan også bruke en hvilken som helst verdi mellom 1k og 10k for R1 og R2 siden de bare fungerer som trekkmotstander.

For den perfekte arbeidstilstanden er det to betingelser som må oppfylles mens du konstruerer kretsen. Den første forutsetningen er at den lave logiske spenningen (3,3V i dette tilfellet) må kobles til MOSFETs kilde, og den høye nivålogiske spenningen (5V i dette tilfellet) må kobles til avløpstappen til MOSFET. Den andre betingelsen er at porten til MOSFET må kobles til lavspenningsforsyningen (3,3V i dette tilfellet).

Simulering av toveis logisk nivåomformer

Den komplette virkningen av logikknivåskiftekretsen kan forstås ved å bruke simuleringsresultater. Som du kan se i GIF-bildet nedenfor, forskyves logikkinngangspinnen under høyt nivå til lavt nivå logisk konvertering mellom 5V og 0V (jord), og logikkutgangen oppnås som 3,3V og 0V.

Tilsvarende under konvertering på lavt nivå til høyt nivå er Logic-inngangen mellom 3,3V og 0V konvertert til Logisk utgang på 5V og 0V som vist i GIF-bildet nedenfor.

Logic Level Converter Circuit Working

Etter å ha oppfylt de to betingelsene, fungerer kretsen i tre stater. Statene er beskrevet nedenfor.

1. Når den lave siden er i logikk 1 eller høy tilstand (3,3 V).
2. Når den lave siden er i logikk 0 eller lav tilstand (0V).
3. Når den høye siden endrer tilstanden fra 1 til 0 eller høy til lav (5V til 0V)

Når den lave siden er høy, betyr det at kildespenningen til MOSFET er 3,3 V, MOSFET utfører ikke på grunn av Vgs-terskelpunktet til MOSFET oppnås ikke. På dette punktet er porten til MOSFET 3,3V og kilden til MOSFET er også 3,3V. Derfor er Vgs 0V. MOSFET er av. Logikk 1 eller høy tilstand for inngangen til lav side reflekterer på avløpssiden av MOSFET som en 5V utgang via pullup-motstanden R2.

I denne situasjonen, hvis den lave siden av MOSFET endrer status fra høy til lav, begynner MOSFET å lede. Kilden er i logikk 0, derav ble også høysiden 0.

De over to forholdene konverterer vellykket lavspenningslogisk tilstand til en høyspenningslogisk tilstand.

En annen arbeidstilstand er når den høye siden av MOSFET endrer tilstanden fra høy til lav. Det er tiden da avløpssubstratdioden begynner å lede. MOSFET-lavsiden trekkes ned til et lavt spenningsnivå til Vgs krysser terskelpunktet. Busslinjen til både lav- og høyspenningsseksjonen ble lav på samme spenningsnivå.

Byttehastighet for omformeren

En annen viktig parameter å vurdere når du designer en logisk nivåomformer er overgangshastigheten. Siden de fleste logiske omformere vil bli brukt mellom kommunikasjonsbusser som USART, I2C osv., Er det viktig for logikkomformeren å bytte raskt nok (overgangshastighet) til å matche med kommunikasjonslinjens overføringshastighet.

Overgangshastigheten er den samme som byttehastigheten til MOSFET. I henhold til BS170-databladet blir oppstartstiden for MOSFET og avstengingstid for MOSFET angitt nedenfor. Derfor er det viktig å velge riktig MOSFET for din logiske nivåkonverteringsdesign.

Så vår MOSFET her krever 10nS for å slå på og 10nS for å slå seg av, noe som betyr at den kan slå seg av og på 10.000.000 ganger på ett sekund. Forutsatt at kommunikasjonslinjen vår opererer med en hastighet på (baudrate) 115200 bits per sekund, betyr det at den bare slår av og deaktiverer 1,15,200 på ett sekund. Så vi kan veldig godt bruke enheten vår også for kommunikasjon med høy baudrate.

Testing av din Logic Converter

Følgende komponenter og verktøy er nødvendige for å teste kretsen -

1. Strømforsyning med to forskjellige spenningsutganger.
2. To multimeter.
3. To taktile brytere.
4. Få ledninger for tilkobling.

Skjematisk er modifisert for å teste kretsen.

I skjemaet ovenfor er to ekstra taktile brytere introdusert. Det er også festet et multimeter for å kontrollere den logiske overgangen. Ved å trykke på SW1, endrer den lave siden av MOSFET sin tilstand fra høy til lav, og logikknivåomformeren fungerer som en lavspennings- til høyspenningslogisk nivåomformer.

På den annen side, ved å trykke på SW2, endres høysiden av MOSFET sin tilstand fra høy til lav, og logikknivåomformeren fungerer som en høyspenning til lavspennings logisk nivåomformer.

Kretsen er konstruert i et brødbrett og testet.

Ovenstående bilde viser den logiske tilstanden på begge sider av MOSFET. Begge er i Logic 1-tilstand.

Den fulle arbeidsvideoen kan sees i videoen nedenfor.

Begrensninger for Logic Level Converter

Kretsen har absolutt noen begrensninger. Begrensningene er sterkt avhengige av valget av MOSFET. Den maksimale spenning og drenstrømmene kan brukes i denne kretsen er avhengig av MOSFET-spesifikasjonen. Minimum logisk spenning er også 1,8V. Mindre enn 1,8 V logisk spenning vil ikke fungere skikkelig på grunn av Vgs-begrensningen til MOSFET. For lavere spenning enn 1,8 V kan dedikerte logiske nivåomformere brukes.

Viktighet og applikasjoner

Som diskutert i innledningen er inkompatibelt spenningsnivå i digital elektronikk et problem for grensesnitt og dataoverføring. Derfor kreves en nivåomformer eller nivåskifter for å overvinne de spenningsnivårelaterte feilene i kretsene.

På grunn av tilgjengeligheten av brede logikknivåkretser i elektronikkmarkedet og også for de forskjellige spenningsnivåmikrokontrollere, har logisk nivåskifter en utrolig brukstilfelle. Flere eksterne enheter og eldre enheter som fungerer basert på I2C, UART eller lydkodek, trenger nivåomformere for kommunikasjonsformål med en mikrokontroller.

Populære IC-er for logisk nivåomformer

Det er mange produsenter som tilbyr integrerte løsninger for konvertering av logikknivå. En av de populære IC er MAX232. Det er en av de vanligste logiske nivåomformerne IC som konverterer mikrokontroller logisk spenning 5V til 12V. RS232-port brukes til å kommunisere mellom datamaskiner med en mikrokontroller og krever +/- 12V. Vi har allerede brukt MAX232 med PIC og få andre mikrokontrollere tidligere for å grensesnitt en mikrokontroller med datamaskinen.

Det er forskjellige krav, også avhengig av konvertering på veldig lavt spenningsnivå, konverteringshastighet, plass, pris osv.

SN74AX er også en populær serie toveis spenningsnivåomformer av Texas Instruments. Det er mange IC-er i dette segmentet, som tilbyr en enkeltbit til 4-bit forsyningsbussovergang sammen med flere funksjoner.

En annen populær toveis logisk nivåomformer IC er MAX3394E fra Maxim Integrated. Den bruker samme konverteringstopologi ved bruk av MOSFET. Pin-diagrammet kan sees på bildet nedenfor. Omformeren støtter separat aktiveringsstift som kan styres ved hjelp av mikrokontrollere som er en ekstra funksjon.

Ovennevnte interne konstruksjon viser den samme MOSFET-topologien, men med P-kanalkonfigurasjon. Den har mange ekstra tilleggsfunksjoner som 15kV ESD-beskyttelse på I / O- og VCC-linjer. Den typiske skjematikken kan sees i bildet nedenfor.

Ovenstående skjema viser en krets som konverterer 1,8 V-logikknivået til et 3,3 V-logikknivå og omvendt. Systemkontroller som kan være hvilken som helst mikrokontrollerenhet styrer også EN-pinnen.

Så dette handler om toveis konverteringskrets og arbeid på logisk nivå.