Bi

Tillbaka i ENIAC-eran var datorer mer analoga till sin natur och använde väldigt få digitala IC-enheter. Idag fungerar en genomsnittlig Joe-dator med flera spänningsnivåer, människor som hade sett SMPS på en CPU skulle ha märkt att din dator kräver ± 12V, + 5V och + 3.3V för att fungera. Dessa spänningsnivåer är mycket viktiga för en dator; en specifik spänning bestämmer signalens tillstånd (hög eller låg). Detta höga tillstånd accepteras av datorn som binärt 1 och lågt tillstånd som binärt 0. Beroende på tillståndet 0 och 1 producerar datorn data, koder och instruktioner för att tillhandahålla erforderlig utdata.

Moderna logiska spänningsnivåer varierar till stor del från 1,8V till 5V. Standardspänningarna för logik är 5V, 3.3V, 1.8V osv. Men hur kommunicerar ett system eller en styrenhet som arbetar med 5V-logiknivå (Exempel Arduino) med ett annat system som fungerar med 3,3V (Exempel ESP8266) eller någon annan annan spänning nivå? Detta scenario förekommer ofta i många konstruktioner, där det finns flera mikrokontroller eller sensorer används och lösningen här är att använda en Logic Level Converter eller Logic Level Shifter. I den här artikeln kommer vi att lära oss mer om Logic Level Converters och vi kommer också att bygga en enkel dubbelriktad Logic Level-omvandlingskrets med MOSFET som kommer att vara till nytta för dina kretsdesigner.

Hög- och lågnivåingångsspänning

Men från mikroprocessorn eller mikrokontrollersidan är det logiska spänningsnivåvärdet inte fast; det har viss tolerans med det. Till exempel är den accepterade Logic High (logik 1) för 5V-logiknivåmikrostyrenheter minst 2,0V (Minimum High Level Input Voltage) till högst 5,1V (Maximum High Level Input Voltage). På samma sätt, för logisk låg (logik 0) är det accepterade spänningsvärdet från 0V (minsta lågnivåinspänning) till maximalt 8V (maximal lågnivåingångsspänning).

Ovanstående exempel gäller för 5V-mikrokontroller på logisk nivå men 3.3V- och 1.8V-mikrokontroller med logisk nivå finns också. I en sådan typ av mikrokontroller kommer spänningsområdet för den logiska nivån att variera. Du kan få relevant information från databladet för den specifika styrenhetens IC. När du använder en spänningsnivåomvandlare bör du vara försiktig med att högspänningsvärdet och lågspänningsvärdet ligger inom gränserna för dessa parametrar.

Dubbelriktad logisk nivåomvandlare

Beroende på användningsområde och teknisk konstruktion, två typer av nivå reglage finns, Enkelriktad Logic nivåomvandlare och dubbelriktad logisk nivå Converter. I enriktade nivåomvandlare är ingångsstift avsedda för en spänningsdomän och utgångarna är avsedda för den andra spänningsdomänen, men detta är inte fallet för dubbelriktad nivåomvandlare, det kan konvertera logiska signaler i båda riktningarna. För dubbelriktade nivåomvandlare har varje spänningsdomän inte bara ingångsstift utan har också utgångsstift. Till exempel om du tillhandahåller 5,5V till ingångssidan kommer den att konvertera den till 3,3V på utgångssidan, på samma sätt om du tillhandahåller 3,3V till utgångssidan kommer den att konvertera den till 5V på ingångssidan.

I den här guiden kommer vi att bygga en enkel dubbelriktad nivåomvandlare och testa den för hög till låg konvertering och låg till hög konvertering.

Enkel dubbelriktad logisk nivåomvandlare

En enkel dubbelriktad logisk omvandlarkrets visas i bilden nedan.

Kretsen använder en n-kanal MOSFET för att konvertera lågspänningslogiknivån till en högspänningslogisk nivå. En enkel logisk nivåomvandlare kan också byggas med resistiva spänningsdelare men det kommer att införa spänningsförlust. MOSFET eller transistorbaserade logiska nivåomvandlare är professionella, pålitliga och säkrare att integrera.

Kretsen använder också ytterligare två komponenter, R1 och R2. Det är uppdragsmotstånd. På grund av det lägsta andelantalet är det också en kostnadseffektiv lösning. Beroende på ovanstående krets kommer en enkel 3,3V till 5V dubbelriktad logikomvandlare att konstrueras.

5V till 3.3V nivåomvandlare med MOSFET

Den 5V till 3,3V dubbelriktad logisk nivåomvandlare krets kan ses i bilden nedan -

Som du kan se måste vi tillhandahålla en konstant spänning på 5V och 3,3V till motstånden R1 och R2. Stiften Low_side_Logic_Input och High_Side_Logic_Input kan användas omväxlande som ingångs- och utgångsstift.

Komponenterna som används i ovanstående krets är

R1 - 4,7 k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (N-kanal MOSFET).

Båda motstånden är 1% toleranta. Motstånd med 5% tolerans fungerar också. Pinouts av BS170 MOSFET kan ses i bilden nedan som är i ordningen Drain, Gate och Source.

Kretskonstruktionen består av två dragmotstånd 4,7k vardera. Avlopp och MOSFETs källstift dras upp till önskad spänningsnivå (i detta fall 5V och 3,3V) för låg till hög eller hög till låg logisk omvandling. Du kan också använda valfritt värde mellan 1k och 10k för R1 och R2 eftersom de endast fungerar som pull-up-motstånd.

För det perfekta arbetstillståndet finns det två villkor som måste uppfyllas när kretsen konstrueras. Det första villkoret är att den låga logiska spänningen (3,3 V i det här fallet) måste anslutas till MOSFET: s källa och den höga logiska spänningen (5 V i detta fall) måste anslutas till MOSFET: s avtappningsstift. Det andra villkoret är att porten till MOSFET måste anslutas till lågspänningsförsörjningen (3,3 V i detta fall).

Simulering av dubbelriktad logisk nivåomvandlare

Den fullständiga funktionen för den logiska nivåförskjutarkretsen kan förstås med simuleringsresultat. Som du kan se i GIF-bilden nedan flyttas logikinmatningsstiftet mellan 5V och 0V (jord) under högnivå till lågnivåomvandling och logisk utgång erhålls som 3,3V och 0V.

På samma sätt under konverteringen från låg nivå till hög nivå är Logic-ingången mellan 3,3 V och 0 V omvandlad till Logisk utgång på 5 V och 0 V som visas i nedanstående GIF-bild.

Logic Level Converter Circuit Working

Efter att ha uppfyllt dessa två villkor fungerar kretsen i tre tillstånd. Tillstånden beskrivs nedan.

1. När lågsidan är i logik 1 eller högt tillstånd (3,3 V).
2. När lågsidan är i logik 0 eller lågt tillstånd (0V).
3. När högsidan ändrar tillståndet från 1 till 0 eller högt till lågt (5V till 0V)

När den låga sidan är hög, betyder det att källspänningen för MOSFET är 3,3V, så leder MOSFET inte på grund av att VOS-tröskelpunkten för MOSFET inte uppnås. Vid denna tidpunkt är porten till MOSFET 3.3V och källan till MOSFET är också 3.3V. Därför är Vgs 0V. MOSFET är avstängd. Logik 1 eller högt tillstånd för ingången på lågsidan reflekteras på avloppssidan av MOSFET som en 5V-utgång via utdragningsmotståndet R2.

I den här situationen, om MOSFETs låga sida ändrar sitt tillstånd från högt till lågt, börjar MOSFET att leda. Källan är i logik 0, varför den höga sidan också blev 0.

De ovanstående två förhållandena konverterar framgångsrikt lågspänningslogiskt tillstånd till ett högspänningslogiskt tillstånd.

Ett annat fungerande tillstånd är när den höga sidan av MOSFET ändrar sitt tillstånd från hög till låg. Det är den tid då avloppssubstratdioden börjar leda. MOSFET-lågsidan dras ner till en låg spänningsnivå tills Vgs passerar tröskelpunkten. Bussledningen för både låg- och högspänningssektionen blev låg på samma spänningsnivå.

Omvandlarens växlingshastighet

En annan viktig parameter att tänka på när man designar en logisk nivåomvandlare är övergångshastigheten. Eftersom de flesta logiska omvandlare kommer att användas mellan kommunikationsbussar som USART, I2C etc är det viktigt för logikomvandlaren att växla tillräckligt snabbt (övergångshastighet) för att matcha kommunikationslinjernas överföringshastighet.

Övergångshastigheten är densamma som omkopplingshastigheten för MOSFET. Följaktligen anges i vårt fall enligt BS170-databladet starttid för MOSFET och avstängningstid för MOSFET nedan. Därför är det viktigt att välja rätt MOSFET för din logiknivåomvandlare.

Så vår MOSFET kräver att 10nS slås på och 10nS stängs av, vilket betyder att den kan slås på och av 10 000 000 gånger på en sekund. Förutsatt att vår kommunikationslinje arbetar med en hastighet på (baudhastighet) 115200 bitar per sekund, betyder det att den bara stänger av och stänger av 1,15,200 på en sekund. Så vi kan mycket väl använda vår enhet för kommunikation med hög baudhastighet också.

Testa din Logic Converter

Följande komponenter och verktyg krävs för att testa kretsen -

1. Strömförsörjning med två olika spänningsutgångar.
2. Två multimetrar.
3. Två taktila omkopplare.
4. Få ledningar för anslutning.

Schemat är modifierat för att testa kretsen.

I ovanstående schemat introduceras ytterligare två taktila omkopplare. Dessutom är en multimeter ansluten för att kontrollera den logiska övergången. Genom att trycka på SW1 ändras MOSFETs nedre sida från högt till lågt och den logiska nivåomvandlaren fungerar som en lågspännings- till högspänningslogisk nivåomvandlare.

Å andra sidan, genom att trycka på SW2, ändras MOSFETs höga sida från högt till lågt och logiknivåomvandlaren fungerar som en högspännings- till lågspänningslogisk nivåomvandlare.

Kretsen är konstruerad i ett brödbräda och testad.

Ovanstående bild visar det logiska tillståndet på båda sidor av MOSFET. Båda är i logik 1-tillstånd.

Hela arbetsvideon kan ses i videon nedan.

Begränsningar av Logic Level Converter

Kretsen har verkligen vissa begränsningar. Begränsningarna är mycket beroende av valet av MOSFET. Den maximala spänningen och avloppsströmmen som kan användas i denna krets beror på MOSFET: s specifikation. Minsta logiska spänning är också 1,8V. Mindre än 1,8 V logisk spänning fungerar inte korrekt på grund av MOSFETs begränsning av Vgs. För lägre spänning än 1,8 V kan dedikerade logiska nivåomvandlare användas.

Vikt och tillämpningar

Som diskuterats i inledningen är inkompatibel spänningsnivå i digital elektronik ett problem för gränssnitt och dataöverföring. Därför krävs en nivåomvandlare eller nivåomkopplare för att övervinna spänningsnivårelaterade fel i kretsarna.

På grund av tillgängligheten av brett spektrum av logiknivåkretsar på elektronikmarknaden och även för de olika spänningsnivåmikrokontrollerna har logiknivåväxlaren ett otroligt användningsfall. Flera kringutrustning och äldre enheter som fungerar baserat på I2C, UART eller ljudkodek behöver nivåomvandlare för kommunikationsändamål med en mikrokontroller.

Populära IC-omvandlare för logiknivå

Det finns många tillverkare som tillhandahåller integrerade lösningar för logisk nivåkonvertering. En av de populära IC är MAX232. Det är en av de vanligaste logiska nivåomvandlarna IC som omvandlar mikrokontrollerns logiska spänning 5V till 12V. RS232-porten används för att kommunicera mellan datorer med en mikrokontroller och kräver +/- 12V. Vi har redan använt MAX232 med PIC och några andra mikrokontroller tidigare för att gränssnitt en mikrokontroller med dator.

Det finns olika krav också beroende på mycket låg spänningsnivåomvandling, omvandlingshastighet, utrymme, kostnad etc.

SN74AX är också en populär serie dubbelriktad spänningsnivåomvandlare av Texas Instruments. Det finns massor av IC-enheter i detta segment som erbjuder en övergång från en enda till en 4-bitars leveransbuss tillsammans med ytterligare funktioner.

En annan populär dubbelriktad logisk nivåomvandlare IC är MAX3394E från Maxim Integrated. Den använder samma konverteringstopologi med MOSFET. Stiftdiagrammet kan ses i bilden nedan. Omvandlaren stöder separat aktiveringsstift som kan styras med hjälp av mikrokontroller som är en extra funktion.

Ovanstående interna konstruktion visar samma MOSFET-topologi men med P-kanalkonfiguration. Den har massor av extra tillagda funktioner som 15kV ESD-skydd på I / O- och VCC-linjer. Den typiska schemat kan ses i bilden nedan.

Ovanstående schema visar en krets som omvandlar 1,8 V-logiknivån till en 3,3 V-logiknivå och vice versa. Systemkontroll som kan vara vilken mikrokontroller som helst styr också EN-stiftet.

Så det handlar om dubbelriktad logiknivåomvandlingskrets och arbete.