Бі - Електроніка 2024

Ще в епоху ENIAC комп’ютери мали більш аналоговий характер і використовували дуже мало цифрових ІС. Сьогодні середній комп’ютер Джо працює з різними рівнями напруги, люди, які бачили SMPS центрального процесора, помітили б, що для роботи вашого комп’ютера потрібно ± 12 В, + 5 В і + 3,3 В. Ці рівні напруги дуже важливі для комп’ютера; конкретна напруга визначає стан сигналу (високий або низький). Цей високий стан приймається комп’ютером як двійковий 1, а низький - як двійковий 0. Залежно від умов 0 та 1 комп’ютер виробляє дані, коди та інструкції для забезпечення необхідного виводу.

Сучасні логічні рівні напруги значною мірою варіюються від 1,8 В до 5 В. Стандартні логічні напруги становлять 5 В, 3,3 В, 1,8 В тощо. Але, як система або контролер, що працює з логічним рівнем 5 В (Приклад Arduino), взаємодіє з іншою системою, яка працює з 3,3 В (Приклад ESP8266), або будь-якою іншою різною напругою рівень? Цей сценарій часто трапляється у багатьох конструкціях, де існує безліч мікроконтролерів або використовуються датчики, і рішення тут полягає у використанні перетворювача рівня логіки або перемикача рівня логіки. У цій статті ми дізнаємося більше про перетворювачі логічного рівня, а також побудуємо просту двонаправлену схему перетворювача логічного рівня за допомогою MOSFET, яка стане в нагоді для конструкцій ваших схем.

Вхідна напруга високого та низького рівня

Однак з боку мікропроцесора або мікроконтролера значення логічного рівня напруги не є фіксованим; це має певну толерантність до цього. Наприклад, прийнятним значенням Logic High (логіка 1) для мікроконтролерів логічного рівня 5 В є мінімум 2,0 В (мінімальна вхідна напруга високого рівня) та максимум 5,1 В (максимальна вхідна напруга високого рівня). Аналогічно, для низької логіки (логіка 0) прийняте значення напруги становить від 0 В (мінімальна вхідна напруга низького рівня) до максимуму 8 В (максимальна вхідна напруга низького рівня).

Наведений вище приклад справедливий для мікроконтролерів логічного рівня 5 В, але також доступні мікроконтролери логічного рівня 3,3 В та 1,8 В. У таких мікроконтролерів діапазон напруги логічного рівня буде змінюватися. Ви можете отримати відповідну інформацію з таблиці даних цього конкретного ІС контролера. Використовуючи перетворювач рівня напруги, слід подбати про те, щоб значення високої та низької напруги знаходилось у межах цих параметрів.

Двонаправлений перетворювач логічного рівня

Залежно від застосування та технічної конструкції доступні два типи перемикачів рівня: односпрямований логічний перетворювач рівня та двонаправлений логічний перетворювач рівня. У односпрямованих перетворювачах рівня вхідні виводи призначені для однієї області напруги, а вихідні виводи призначені для іншої області напруги, але це не стосується двонаправлених перетворювачів рівня, які можуть перетворювати логічні сигнали в обох напрямках. Для двонаправлених перетворювачів рівня кожен домен напруги має не тільки вхідні виводи, але і вихідний висновок. Наприклад, якщо ви надаєте 5,5 В на вхідну сторону, він перетворить його на 3,3 В на вихідній стороні, так само, якщо ви надасте 3,3 В на вихідній стороні, він перетворить його на 5 В на вхідній стороні.

У цьому навчальному посібнику ми створимо простий двонаправлений перетворювач рівнів і протестуємо його на перетворення високого на низький та перетворення низького на високий.

Простий двонаправлений перетворювач логічного рівня

Проста схема двонаправленого логічного перетворювача показана на зображенні нижче.

Схема використовує n-канальний MOSFET для перетворення логічного рівня низької напруги в логічний рівень високої напруги. Простий логічний перетворювач рівня також може бути побудований за допомогою резистивних дільників напруги, але це призведе до втрати напруги. Перетворювачі логічного рівня MOSFET або транзисторні професійні, надійні та безпечніші для інтеграції.

Схема також використовує два додаткові компоненти, R1 і R2. Це підтягувальні резистори. Через найнижчу кількість деталей це також економічно ефективне рішення. Залежно від наведеної схеми буде побудований простий двонаправлений логічний перетворювач від 3,3 до 5 В.

Перетворювач рівня від 5 до 3,3 В за допомогою MOSFET

5V до 3.3V двонаправленого перетворювача логічного рівня схеми можна бачити на малюнку нижче -

Як бачите, ми повинні забезпечити постійну напругу 5 В і 3,3 В на резисторах R1 і R2. Штифти Low_side_Logic_Input і High_Side_Logic_Input можуть бути використані як взаємозамінні в якості вхідних і вихідних контактів.

Компоненти, що використовуються у вищевказаній схемі, є

R1 - 4,7 тис

R2 - 4,7 тис

Q1 - BS170 (N-канальний MOSFET).

Обидва резистори толерантні на 1%. Також спрацюють резистори з допуском 5%. Розпірки BS170 MOSFET можна побачити на зображенні нижче, розташованому в порядку стоку, затвора та джерела.

Конструкція схеми складається з двох підтягуючих резисторів по 4.7k кожен. Злив і вихідний штифт MOSFET підтягуються до бажаного рівня напруги (в даному випадку 5 В і 3,3 В) для перетворення низької на високу або високу на низьку. Ви також можете використовувати будь-яке значення від 1k до 10k для R1 і R2, оскільки вони діють лише як підтягуючі резистори.

Для ідеального робочого стану існують дві умови, яким потрібно дотримуватися при побудові схеми. Перша умова полягає в тому, що логічна напруга низького рівня (у цьому випадку 3,3 В) повинна бути підключена до джерела MOSFET, а логічна напруга високого рівня (у цьому випадку 5 В) повинна бути підключена до зливного штифта MOSFET. Друга умова полягає в тому, що затвор MOSFET повинен бути підключений до джерела низької напруги (в цьому випадку 3,3 В).

Моделювання двонаправленого перетворювача логічного рівня

Повна робота схеми логічного перемикача рівня може бути зрозуміла за допомогою результатів моделювання. Як ви можете бачити на зображенні GIF нижче, під час логічного перетворення високого рівня на низький рівень логічний вхідний штифт зміщується між 5 В та 0 В (земля), а логічний вихід отримується як 3,3 В та 0 В.

Подібним чином під час перетворення низького рівня на високий рівень логічний вхід між 3,3 В та 0 В перетворюється на логічний вихід 5 В та 0 В, як показано на зображенні GIF нижче.

Схема перетворювача логічного рівня працює

Після виконання цих двох умов схема працює в трьох станах. Стани описані нижче.

Коли нижня сторона знаходиться в логіці 1 або у високому стані (3,3 В).
Коли нижня сторона знаходиться в логічному 0 або низькому стані (0V).
Коли сторона високого змінює стан від 1 до 0 або від високого до низького (від 5 В до 0 В)

Коли низька сторона висока, це означає, що напруга джерела MOSFET становить 3,3 В, MOSFET не проводить через порогову точку Vgs MOSFET не досягнуто. На даний момент затвор MOSFET становить 3,3 В, а джерело MOSFET також становить 3,3 В. Отже, Vgs дорівнює 0В. MOSFET вимкнено. Логіка 1 або високий стан входу низької сторони відображається на стороні стоку MOSFET як вихід 5 В через підтягуючий резистор R2.

У цій ситуації, якщо нижня сторона MOSFET змінює свій стан з високого на низький, MOSFET починає проводити. Джерело знаходиться в логіці 0, отже, висока сторона також стала 0.

Зазначені вище дві умови успішно перетворюють логічний стан низької напруги в логічний стан високої напруги.

Інший робочий стан - це коли висока сторона MOSFET змінює свій стан з високого на низький. Це час, коли діод зливної основи починає проводити. Низька сторона MOSFET тягнеться до рівня низької напруги, поки Vgs не перетне граничну точку. Шина лінії як низької, так і високої напруги стала низькою при однаковому рівні напруги.

Швидкість перемикання перетворювача

Іншим важливим параметром, який слід враховувати при проектуванні перетворювача логічного рівня, є швидкість переходу. Оскільки більшість логічних перетворювачів будуть використовуватися між комунікаційними шинами, такими як USART, I2C тощо, важливо, щоб логічний перетворювач перемикався досить швидко (швидкість переходу), щоб відповідати швидкості передачі даних ліній зв'язку.

Швидкість переходу така ж, як і швидкість перемикання MOSFET. Отже, у нашому випадку згідно з таблицею даних BS170, час включення MOSFET і час вимкнення MOSFET вказані нижче. Тому важливо вибрати правильний MOSFET для конструкції вашого перетворювача логічного рівня.

Отже, наш MOSFET тут вимагає 10 нС, щоб увімкнути, і 10 нС, щоб вимкнути, тобто він може вмикатись і вимикати 10 000 000 разів за одну секунду. Якщо припустити, що наша лінія зв'язку працює зі швидкістю (швидкість передачі даних) 115200 біт в секунду, то це означає, що вона за одну секунду вимикається і вимикається лише 1,15,200. Тож ми можемо дуже добре використовувати наш пристрій і для зв'язку з високою швидкістю передачі даних.

Тестування вашого логічного перетворювача

Наступні компоненти та інструменти необхідні для перевірки схеми -

Блок живлення з двома різними вихідними напругами.
Два мультиметри.
Два тактильних вимикача.
Кілька проводів для підключення.

Схема модифікована для перевірки схеми.

У наведеній вище схемі введено два додаткові тактильні вимикачі. Також для перевірки логічного переходу приєднаний мультиметр. Натискаючи SW1, нижня сторона MOSFET змінює свій стан з високого на низький, і перетворювач логічного рівня працює як перетворювач логічного рівня низької та високої напруги.

З іншого боку, натисканням SW2, висока сторона MOSFET змінює свій стан з високого на низький, і перетворювач логічного рівня працює як перетворювач логічного рівня високої напруги в низьку.

Схема побудована в макетній панелі та перевірена.

Наведене зображення показує логічний стан по обидві сторони MOSFET. Обидва знаходяться у стані логіки 1.

Повне робоче відео можна побачити у відео нижче.

Обмеження перетворювача логічного рівня

Схема, безумовно, має деякі обмеження. Обмеження сильно залежать від вибору MOSFET. Максимальна напруга і струм стоку може бути використаний в цій схемі залежить від специфікації МОП ПВ. Крім того, мінімальна логічна напруга становить 1,8 В. Логічна напруга менше 1,8 В не працюватиме належним чином через обмеження Vgs MOSFET. Для напруги нижчої за 1,8 В можуть використовуватися спеціальні перетворювачі логічного рівня.

Важливість та програми

Як обговорювалось у вступній частині, несумісний рівень напруги в цифровій електроніці є проблемою для взаємодії та передачі даних. Отже, для подолання помилок, пов'язаних з рівнем напруги в схемі, необхідний перетворювач рівня або перемикач рівня.

Завдяки наявності на ринку електроніки схем логічного рівня широкого діапазону, а також для різних мікроконтролерів рівня напруги, перемикач логічного рівня має неймовірний варіант використання. Декілька периферійних пристроїв та застарілих пристроїв, які працюють на основі I2C, UART або аудіокодеків, потребують перетворювачів рівня для цілей зв'язку з мікроконтролером.

Бі