Bi

ENIAC-aikakaudella tietokoneet olivat luonteeltaan analogisempia ja käyttivät hyvin vähän digitaalisia mikropiirejä. Nykyään keskimääräinen Joe-tietokone toimii useilla jännitetasoilla, ihmiset, jotka olivat nähneet suorittimen SMPS: n, olisivat huomanneet, että tietokoneesi vaatii toimimaan ± 12 V, + 5 V ja + 3,3 V. Nämä jännitetasot ovat erittäin tärkeitä tietokoneelle; tietty jännite määrää signaalin tilan (korkea tai matala). Tietokone hyväksyy tämän korkean tilan binäärisenä 1 ja matalan tilan binäärisenä 0. Tietokone tuottaa 0, 1-olosuhteista riippuen tietoja, koodeja ja ohjeita tarvittavan lähdön tuottamiseksi.

Nykyaikaiset logiikkajännitetasot vaihtelevat suurelta osin 1,8 V - 5 V. Tavalliset logiikkajännitteet ovat 5 V, 3,3 V, 1,8 V jne. Mutta miten 5 V logiikkatasolla toimiva järjestelmä tai ohjain (esimerkki Arduino) kommunikoi toisen järjestelmän kanssa, joka toimii 3,3 V: n (esimerkki ESP8266) tai minkä tahansa muun jännitteen kanssa taso? Tätä skenaariota esiintyy usein monissa malleissa, joissa on useita mikro-ohjaimia tai käytetään antureita ja ratkaisu tässä on käyttää logiikkatason muunninta tai logiikkatason siirtäjää. Tässä artikkelissa opimme lisää logiikkatason muuntimista ja rakennamme myös yksinkertaisen kaksisuuntaisen logiikkatason muunninpiirin MOSFET-tekniikan avulla, mikä on kätevä piirisi suunnittelussa.

Korkean ja matalan tulojännite

Mikroprosessorin tai mikrokontrollerin puolelta loogisen jännitteen tason arvo ei kuitenkaan ole kiinteä; siinä on jonkin verran suvaitsevaisuutta. Esimerkiksi 5 V: n logiikkatason mikrokontrollereille hyväksytty logiikkakorkea (logiikka 1) on vähintään 2,0 V (pienin korkean tason syöttöjännite) enintään 5,1 V (suurin korkean tason syöttöjännite). Vastaavasti logiikan matalalle (logiikka 0) hyväksytty jännitearvo on välillä 0 V (pienin matalan tason syöttöjännite) enintään 8 V: iin (suurin matalan tason syöttöjännite).

Yllä oleva esimerkki pätee 5 V logiikkatason mikrokontrollereihin, mutta 3,3 V ja 1,8 V logiikkatason mikrokontrollereita on myös saatavana. Tällaisissa mikro-ohjaimissa logiikkatason jännitealue vaihtelee. Voit saada asiaankuuluvat tiedot kyseisen ohjaimen IC: n datalehdestä. Jännitemuuntajaa käytettäessä on huolehdittava siitä, että korkea jännite ja matala jännite ovat näiden parametrien rajoissa.

Kaksisuuntainen logiikkatason muunnin

Sovelluksesta ja teknisestä rakenteesta riippuen on saatavana kahden tyyppisiä tasosiirtimiä, yksisuuntainen logiikkatason muunnin ja kaksisuuntainen logiikkatason muunnin. Yksisuuntaisissa tasomuuntimissa tulotapit on omistettu yhdelle jännitealueelle ja lähtötapit omistettu toiselle jännitealueelle, mutta näin ei ole kaksisuuntaisilla tasomuuntimilla. Kaksisuuntaisilla tasomuuntimilla jokaisella jännitealueella ei ole vain tulotappeja, vaan myös ulostulotappi. Esimerkiksi jos annat 5,5 V: n tulopuolelle, se muuntaa sen 3,3 V: ksi lähtöpuolella, vastaavasti, jos annat 3,3 V: n lähtöpuolelle, se muuntaa sen 5 V: ksi tulopuolelle.

Tässä opetusohjelmassa rakennamme yksinkertaisen kaksisuuntaisen tasonmuuntimen ja testaamme sen muuntamiseksi korkeasta matalaan ja matalasta korkeaan.

Yksinkertainen kaksisuuntainen logiikkatason muunnin

Yksinkertainen kaksisuuntainen logiikkamuunninpiiri on esitetty alla olevassa kuvassa.

Piiri käyttää n-kanavaista MOSFETiä pienjännitelogiikkatason muuntamiseksi suurjännitelogiikkatasoksi. Yksinkertainen logiikkatasonmuunnin voidaan myös rakentaa käyttämällä resistiivisiä jännitteenjakajia, mutta se aiheuttaa jännitehäviön. MOSFET- tai transistoripohjaiset logiikkatasonmuuntimet ovat ammattimaisia, luotettavia ja turvallisempia integroida.

Piiri käyttää myös kahta lisäkomponenttia, R1 ja R2. Ne ovat vetovastuksia. Pienimmän osamäärän vuoksi se on myös kustannustehokas ratkaisu. Yllä olevasta piiristä riippuen rakennetaan yksinkertainen 3,3 V - 5 V kaksisuuntainen logiikkamuunnin.

5–3,3 V: n tasomuunnin MOSFET-tekniikalla

5V 3.3V kaksisuuntainen looginen taso muunnin piiri voidaan nähdä alla kuvan -

Kuten näette, meidän on annettava vakio jännite 5 V ja 3,3 V vastuksille R1 ja R2. Nastoja Low_side_Logic_Input ja High_Side_Logic_Input voidaan käyttää keskenään vaihdettavasti Input- ja Output- nastoina.

Edellä olevassa piirissä käytetyt komponentit ovat

R1 - 4,7 kt

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (N-kanavainen MOSFET).

Molemmat vastukset ovat 1% suvaitsevaisia. Vastukset, joiden toleranssi on 5%, toimivat myös. BS170 MOSFET: n pinoutit näkyvät alla olevassa kuvassa, joka on järjestyksessä Drain, Gate ja Source.

Piirirakenne koostuu kahdesta ylösvetovastuksesta 4,7k. Tyhjennys ja MOSFETin lähdetappi vedetään haluttuun jännitetasoon (tässä tapauksessa 5 V ja 3,3 V) matalasta korkeaan tai korkeasta matalaan logiikan muuntamiseksi. Voit käyttää myös mitä tahansa arvoa välillä 1k - 10k R1: lle ja R2: lle, koska ne toimivat vain vetovastuksina.

Täydellisen toimintatilan saavuttamiseksi on kaksi ehtoa, jotka on täytettävä piiriä rakennettaessa. Ensimmäinen ehto on, että matalan tason logiikkajännite (tässä tapauksessa 3,3 V) on kytkettävä MOSFET-lähteeseen ja korkean tason logiikkajännite (tässä tapauksessa 5 V) on kytkettävä MOSFETin tyhjennystapiin. Toinen ehto on, että MOSFETin portti on kytkettävä matalajännitesyöttöön (tässä tapauksessa 3,3 V).

Kaksisuuntaisen logiikkatason muuntimen simulointi

Loogisen tason vaihtajapiirin täydellinen toiminta voidaan ymmärtää käyttämällä simulointituloksia. Kuten alla olevasta GIF-kuvasta näet, logiikan muuntamisen korkean tason ja matalan tason välillä logiikkatulotappi siirtyy välillä 5 V ja 0 V (maadoitus) ja logiikkalähtö saadaan 3,3 V ja 0 V.

Samoin matalan tason korkean tason muuntamisen aikana logiikkatulo on välillä 3,3 V - 0 V muunnetaan 5 V: n ja 0 V: n logiikkalähdöksi alla olevan GIF-kuvan mukaisesti.

Loogisen tason muuntimen piiri toimii

Kun nämä kaksi ehtoa on täytetty, piiri toimii kolmessa tilassa. Tilat kuvataan alla.

1. Kun matala puoli on logiikassa 1 tai korkeassa tilassa (3,3 V).
2. Kun matala puoli on logiikassa 0 tai matalassa tilassa (0 V).
3. Kun korkea puoli muuttaa tilan 1: stä 0: een tai korkeasta matalaan (5 V - 0 V)

Kun matala puoli on korkea, se tarkoittaa, että MOSFETin lähdejännite on 3,3 V, MOSFET ei johda, koska MOSFETin Vgs-kynnyspistettä ei saavuteta. Tässä vaiheessa MOSFETin portti on 3,3 V ja MOSFETin lähde on myös 3,3 V. Siksi Vgs on 0V. MOSFET on pois päältä. Looginen 1 tai matalan sivutulon korkea tila heijastuu MOSFETin tyhjennyspuolelle 5 V: n ulostulona vetovastuksen R2 kautta.

Jos tässä tilanteessa MOSFETin matala puoli muuttaa tilansa korkeasta matalaksi, MOSFET alkaa toimia. Lähde on logiikassa 0, joten myös korkealta puolelta tuli 0.

Kahden ehdon yläpuolella olevat muuntavat onnistuneesti matalajännitelogiikkatilan suurjännitelogiikkatilaksi.

Toinen toimintatila on, kun MOSFETin korkea puoli muuttaa tilansa korkeasta matalaksi. Se on aika, jolloin tyhjennysalustan diodi alkaa johtaa. MOSFETin matala puoli vedetään alas matalalle jännitetasolle, kunnes Vgs ylittää kynnyspisteen. Sekä matalan että korkean jännitteen osan väylälinja muuttui matalaksi samalla jännitetasolla.

Muuntimen kytkentänopeus

Toinen tärkeä parametri, joka on otettava huomioon loogisen tason muuntimen suunnittelussa, on siirtymänopeus. Koska useimpia logiikkamuuntimia käytetään tietoliikenneväylien, kuten USART, I2C jne. Välillä, on tärkeää, että logiikkamuunnin vaihtaa tarpeeksi nopeasti (siirtymisnopeus) vastaamaan tiedonsiirtolinjojen siirtonopeutta.

Siirtymisnopeus on sama kuin MOSFETin kytkentänopeus. Täten meidän tapauksessamme BS170-tietolomakkeen mukaan MOSFETin käynnistysaika ja MOSFET: n sammutusaika on ilmoitettu alla. Siksi on tärkeää valita oikea MOSFET logiikkatason muuntimen suunnittelua varten.

Joten tässä MOSFET-laitteemme vaatii 10 nS: n virran kytkemisen ja 10nS: n sammumisen, mikä tarkoittaa, että se voi kytkeytyä päälle ja pois päältä 10,00 000 kertaa yhdessä sekunnissa. Olettaen, että tietoliikennelinjamme toimii nopeudella (baudinopeus) 115200 bittiä sekunnissa, se tarkoittaa, että se kytkee ja sammuttaa vain 1,15,200 yhden sekunnin aikana. Joten voimme hyvin käyttää laitettamme myös korkean tiedonsiirtonopeuden tiedonsiirtoon.

Testataan logiikkamuunninta

Seuraavia komponentteja ja työkaluja tarvitaan piirin testaamiseen -

1. Virtalähde kahdella eri jännitelähdöllä.
2. Kaksi yleismittaria.
3. Kaksi kosketuskytkintä.
4. Muutama johdin liitäntää varten.

Kaaviota on muokattu piirin testaamiseksi.

Edellä olevassa kaaviossa esitetään kaksi muuta kosketuskytkintä. Loogisen siirtymän tarkistamiseksi on liitetty myös yleismittari. Painamalla SW1 MOSFETin matala puoli muuttaa tilansa suuresta matalaksi ja logiikkatason muunnin toimii matalajännitteisestä suurjännitelogiikkatasonmuuntimeksi.

Toisaalta, painamalla SW2, MOSFETin korkea puoli muuttaa tilansa korkeasta matalaksi ja loogisen tason muunnin toimii korkeajännitteisestä matalajännitteiseksi logiikkatason muuntimeksi.

Piiri on rakennettu leipälautaan ja testattu.

Yllä oleva kuva näyttää logiikkatilan MOSFETin molemmin puolin. Molemmat ovat logiikan 1 tilassa.

Koko toimiva video näkyy alla olevassa videossa.

Loogisen tason muuntimen rajoitukset

Piirillä on varmasti joitain rajoituksia. Rajoitukset riippuvat suuresti MOSFETin valinnasta. Suurin jännite ja nielun virta voidaan käyttää tämä piiri on riippuvainen MOSFET toiveiden. Myös pienin logiikkajännite on 1,8 V. Alle 1,8 V: n logiikkajännite ei toimi kunnolla MOSFETin Vgs-rajoituksen vuoksi. Alhaisemmalle jännitteelle kuin 1,8 V voidaan käyttää erillisiä logiikkatason muuntimia.

Tärkeys ja sovellukset

Kuten johdanto-osassa todettiin, yhteensopimaton jännitetaso digitaalisessa elektroniikassa on ongelma liitännöissä ja tiedonsiirrossa. Siksi tarvitaan tasonmuunninta tai tasosiirtäjää piirin jännitetasoon liittyvien virheiden voittamiseksi.

Johtuen laaja-alaisten logiikkatasopiirien saatavuudesta elektroniikkamarkkinoilla ja myös erilaisille jännitetason mikrokontrollereille, logiikkatasonsiirtimellä on uskomaton käyttötapa. Useat I2C-, UART- tai äänikoodekkeihin perustuvat oheislaitteet ja vanhat laitteet tarvitsevat tasomuuntajia yhteydenpitoon mikrokontrollerin kanssa.

Suositut logiikkatason muunnospiirit

Monet valmistajat tarjoavat integroituja ratkaisuja logiikkatason muuntamiseen. Yksi suosituimmista IC: stä on MAX232. Se on yksi yleisimmistä loogisen tason muuntimista IC, joka muuntaa mikro-ohjaimen logiikkajännitteen 5 V 12 V: ksi. RS232-porttia käytetään tietokoneiden väliseen kommunikointiin mikrokontrollerin kanssa, ja se vaatii +/- 12 V. Olemme jo käyttäneet MAX232: ta PIC: n ja muutamien muiden mikrokontrollerien kanssa aikaisemmin mikrokontrollerin liittämiseksi tietokoneeseen.

On olemassa myös erilaisia ​​vaatimuksia riippuen erittäin matalan jännitetason muunnoksesta, muunnosnopeudesta, tilasta, kustannuksista jne.

SN74AX on myös Texas Instrumentsin suosima kaksisuuntaisen jännitteen tasonmuuntimen sarja. Tässä segmentissä on paljon mikropiirejä, jotka tarjoavat yhden bitin ja 4-bittisen syöttöväylän siirtymän lisäominaisuuksien kanssa.

Toinen suosittu kaksisuuntainen looginen taso muunnin IC on MAX3394E päässä Maxim Integrated. Se käyttää samaa muunnostopologiaa MOSFETin avulla. Tappikaavio näkyy alla olevassa kuvassa. Muunnin tukee erillistä aktivointitappia, jota voidaan ohjata mikrokontrollereilla, mikä on lisäominaisuus.

Yllä oleva sisäinen rakenne näyttää saman MOSFET-topologian, mutta P-kanavan kokoonpanolla. Siinä on paljon lisäominaisuuksia, kuten 15 kV ESD-suojaus I / O- ja VCC-linjoilla. Tyypillinen kaavio voidaan nähdä alla olevasta kuvasta.

Yllä oleva kaavio esittää piirin, joka muuntaa 1,8 V: n logiikkatason 3,3 V: n logiikkatasoksi ja päinvastoin. Järjestelmäohjain, joka voi olla mikä tahansa mikro-ohjainyksikkö, ohjaa myös EN-nastaa.

Joten tässä on kyse kaksisuuntaisesta logiikkatason muunnospiiristä ja työskentelystä.