Bi

Dar ENIAC laikais kompiuteriai buvo labiau analogiško pobūdžio ir naudojo labai mažai skaitmeninių IC. Šiandien vidutinis Joe kompiuteris veikia su keliais įtampos lygiais, žmonės, mačiusieji procesoriaus SMPS, būtų pastebėję, kad jūsų kompiuteriui veikti reikia ± 12 V, + 5 V ir + 3,3 V. Šie įtampos lygiai yra labai svarbūs kompiuteriui; specifinė įtampa lemia signalo būseną (aukštą ar žemą). Kompiuteris priima šią aukštą būseną kaip dvejetainę 1, o žemąją - kaip dvejetainę 0. Priklausomai nuo būklės 0 ir 1, kompiuteris gamina duomenis, kodus ir instrukcijas, kad suteiktų reikiamą išvestį.

Šiuolaikinės loginės įtampos lygiai iš esmės svyruoja nuo 1,8 V iki 5 V. Standartinės loginės įtampos yra 5 V, 3,3 V, 1,8 V ir tt lygis? Šis scenarijus dažnai pasitaiko daugelyje dizainų, kai yra keli mikrovaldikliai arba naudojami jutikliai, o sprendimas yra loginio lygio keitiklio arba loginio lygio keitiklio naudojimas. Šiame straipsnyje mes sužinosime daugiau apie loginio lygio keitiklius ir taip pat sukursime paprastą dvikryptį loginio lygio keitiklio grandinę naudodami MOSFET, kuri bus naudinga jūsų schemų dizainui.

Aukšto ir žemo lygio įėjimo įtampa

Tačiau iš mikroprocesoriaus ar mikrovaldiklio pusės loginės įtampos lygio vertė nėra fiksuota; jis turi tam tikrą toleranciją. Pavyzdžiui, 5 V loginio lygio mikrovaldikliams priimtina „Logic High“ (1 logika) yra minimali 2,0 V (minimali aukšto lygio įėjimo įtampa) iki didžiausios 5,1 V (didžiausia aukšto lygio įėjimo įtampa). Panašiai, esant logiškai mažai (logika 0), priimtina įtampos vertė yra nuo 0 V (mažiausia žemo lygio įėjimo įtampa) iki didžiausios 8 V (didžiausia žemo lygio įėjimo įtampa).

Aukščiau pateiktas pavyzdys galioja 5 V loginio lygio mikrovaldikliams, tačiau taip pat yra 3,3 V ir 1,8 V loginio lygio mikrovaldikliai. Tokio tipo mikrovaldikliuose loginio lygio įtampos diapazonas skirsis. Atitinkamą informaciją galite gauti iš konkretaus valdiklio IC duomenų lapo. Naudojant įtampos keitiklį, reikia pasirūpinti, kad aukštos įtampos ir žemos įtampos vertė neviršytų šių parametrų ribų.

Dvikryptis loginio lygio keitiklis

Priklausomai nuo pritaikymo ir techninės konstrukcijos, yra dviejų tipų lygio perjungikliai: vienkryptis loginis lygio keitiklis ir dvikryptis loginis lygio keitiklis. Vienkrypčiuose lygio keitikliuose įvesties kaiščiai yra skirti vienai įtampos sričiai, o išėjimo kaiščiai skirti kitai įtampos sričiai, tačiau taip nėra dvikrypčių lygio keitiklių atveju, jie gali konvertuoti loginius signalus į abi puses. Dviejų krypčių lygio keitiklių kiekvienoje įtampos srityje yra ne tik įvesties kaiščiai, bet ir išvesties kaištis. Pvz., Jei įvesties pusėje pateikiate 5,5 V, išvesties pusėje jis bus konvertuotas į 3,3 V, panašiai, jei išvesties pusėje pateikiate 3,3 V, įvesties pusėje jis bus konvertuojamas į 5 V.

Šioje pamokoje sukursime paprastą dvikryptį lygio keitiklį ir išbandysime, ar jis konvertuojamas iš didelio į žemą ir iš žemo į aukštą.

Paprastas dvikryptis loginio lygio keitiklis

Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta paprasta dvikryptė loginio keitiklio grandinė.

Grandinė naudoja n-kanalų MOSFET, kad žemos įtampos logikos lygį paverstų aukštos įtampos loginiu lygiu. Paprastas loginis lygio keitiklis taip pat gali būti sukurtas naudojant varžinius įtampos daliklius, tačiau tai sumažins įtampą. MOSFET arba tranzistorių pagrindu veikiantys loginiai lygio keitikliai yra profesionalūs, patikimi ir saugiau integruojami.

Grandinėje taip pat naudojami du papildomi komponentai - R1 ir R2. Tai yra traukiamieji rezistoriai. Dėl mažiausio dalių skaičiaus, tai yra ir ekonomiškas sprendimas. Atsižvelgiant į pirmiau pateiktą grandinę, bus sukonstruotas paprastas loginis keitiklis iš 3,3–5 V.

5–3,3 V lygio keitiklis naudojant MOSFET

5V į 3.3v dvikryptė logika lygio keitiklio grandinę galima matyti žemiau vaizdą -

Kaip matote, rezistoriams R1 ir R2 turime pateikti pastovią 5 V ir 3,3 V įtampą. Kaiščiai Low_side_Logic_Input ir High_Side_Logic_Input gali būti pakaitomis naudojamas kaip įvesties ir išvesties kaiščių.

Minėtoje grandinėje naudojami komponentai yra

R1 - 4,7 tūkst

R2 - 4,7 tūkst

Q1 - BS170 (N kanalo MOSFET).

Abu rezistoriai yra 1% tolerantiški. Taip pat veiks rezistoriai su 5% tolerancija. Iš pinouts BS170 MOSFET galima pamatyti žemiau paveikslėlio kuris yra užsakymo kanalizacija, vartai ir Šaltinis.

Kontūro konstrukciją sudaro du po 4,7 k pakeliami rezistoriai. Drenažas ir MOSFET šaltinio kaištis yra ištraukiami iki norimo įtampos lygio (šiuo atveju 5 V ir 3,3 V), kad loginė konversija būtų nuo žemos iki aukštos arba nuo aukštos iki žemos. R1 ir R2 taip pat galite naudoti bet kokią vertę nuo 1k iki 10k, nes jie veikia tik kaip pakeliami rezistoriai.

Norint sukurti tobulą darbo būseną, yra dvi sąlygos, kurias reikia įvykdyti konstruojant grandinę. Pirmoji sąlyga yra ta, kad žemo lygio loginę įtampą (šiuo atveju 3,3 V) reikia prijungti prie MOSFET šaltinio, o aukšto lygio loginę įtampą (šiuo atveju 5 V) - prijungti prie MOSFET išleidimo kaiščio. Antroji sąlyga yra ta, kad MOSFET vartai turi būti prijungti prie žemos įtampos maitinimo šaltinio (šiuo atveju 3,3 V).

Dvikrypčio loginio lygio keitiklio modeliavimas

Visą loginio lygio perjungiklio grandinės darbą galima suprasti naudojant modeliavimo rezultatus. Kaip matote žemiau pateiktame GIF paveikslėlyje, atliekant aukšto lygio ir žemo lygio logikos konversiją, loginio įvesties kaištis perkeliamas tarp 5 V ir 0 V (žemės), o loginė išvestis gaunama kaip 3,3 V ir 0 V.

Panašiai atliekant žemo lygio ir aukšto lygio konversiją, loginė įvestis yra nuo 3,3 V iki 0 V, konvertuojama į loginę išvestį iš 5 V ir 0 V, kaip parodyta žemiau esančiame GIF paveikslėlyje.

Veikia loginio lygio keitiklio grandinė

Įvykdžius šias dvi sąlygas, grandinė veikia trijose būsenose. Būsenos aprašytos žemiau.

1. Kai žemoji pusė yra loginėje 1 arba aukštoje būsenoje (3,3 V).
2. Kai žemoji pusė yra loginėje 0 arba žemoje būsenoje (0 V).
3. Kai aukšta pusė pakeičia būseną nuo 1 iki 0 arba aukštą į žemą (nuo 5 V iki 0 V)

Kai žemoji pusė yra aukšta, tai reiškia, kad MOSFET šaltinio įtampa yra 3,3 V, MOSFET neveikia dėl to, kad MOSFET Vgs ribinis taškas nėra pasiektas. Šiuo metu MOSFET vartai yra 3.3V, o MOSFET šaltinis taip pat yra 3.3V. Todėl Vgs yra 0V. MOSFET yra išjungtas. 1 logika arba aukšta žemos pusės įvesties būsena atspindi MOSFET kanalizacijos pusę kaip 5 V išėjimą per traukimo rezistorių R2.

Esant tokiai situacijai, jei žemoji MOSFET pusė keičia savo būseną iš aukštos į žemą, MOSFET pradeda veikti. Šaltinis logikoje yra 0, taigi aukštoji pusė taip pat tapo 0.

Tie, kurie yra aukščiau nei dvi sąlygos, sėkmingai paverčia žemos įtampos loginę būseną į aukštos įtampos loginę būseną.

Kita darbinė būsena yra tada, kai aukštoji MOSFET pusė keičia savo būseną iš aukšto į žemą. Tai laikas, kai pradeda tekėti drenažo pagrindo diodas. Žemoji MOSFET pusė yra nuleista žemos įtampos lygiu, kol Vgs peržengs slenkstinį tašką. Tiek žemos, tiek aukštos įtampos sekcijos magistralės linija tapo žema tuo pačiu įtampos lygiu.

Keitiklio perjungimo greitis

Kitas svarbus parametras, į kurį reikia atsižvelgti projektuojant loginio lygio keitiklį, yra perėjimo greitis. Kadangi dauguma loginių keitiklių bus naudojami tarp ryšių magistralių, tokių kaip USART, I2C ir kt., Svarbu, kad loginis keitiklis persijungtų pakankamai greitai (perėjimo greitis), kad atitiktų ryšio linijų perdavimo greitį.

Perėjimo greitis yra toks pat kaip MOSFET perjungimo greitis. Taigi, mūsų atveju pagal BS170 duomenų lapą, MOSFET įjungimo laikas ir MOSFET išjungimo laikas yra nurodytas žemiau. Todėl svarbu pasirinkti tinkamą MOSFET loginio lygio keitiklio dizainui.

Taigi mūsų MOSFET čia reikalauja 10nS įsijungti ir 10nS išjungti, o tai reiškia, kad per vieną sekundę jis gali įsijungti ir išjungti 10,00 000 kartų. Darant prielaidą, kad mūsų ryšio linija veikia (perdavimo sparta) 115200 bitų per sekundę greičiu, tai reiškia, kad per vieną sekundę ji išsijungia ir išjungia tik 1 200 200. Taigi mes galime labai gerai naudoti savo prietaisą ir palaikydami didelės spartos perdavimo spartą.

„Logic Converter“ bandymas

Norėdami patikrinti grandinę, reikalingi šie komponentai ir įrankiai:

1. Maitinimo šaltinis su dviem skirtingomis įtampos išvestimis.
2. Du multimetrai.
3. Du lytėjimo jungikliai.
4. Nedaug laidų prijungimui.

Schema yra modifikuota, kad būtų galima patikrinti grandinę.

Pirmiau pateiktoje schemoje yra du papildomi lytėjimo jungikliai. Taip pat, norint patikrinti loginį perėjimą, yra pritvirtintas multimetras. Paspaudus SW1, žemoji MOSFET pusė keičia savo būseną iš aukštos į žemą, o loginio lygio keitiklis veikia kaip žemos įtampos ir aukštos įtampos loginio lygio keitiklis.

Kita vertus, paspaudus SW2, aukšta MOSFET pusė keičia savo būseną iš aukštos į žemą, o loginio lygio keitiklis veikia kaip aukštos įtampos į žemos įtampos loginį lygio keitiklį.

Grandinė sukonstruota skydinėje ir išbandyta.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta loginė būsena abiejose MOSFET pusėse. Abu jie yra logikos 1 būsenoje.

Visą veikiantį vaizdo įrašą galite pamatyti žemiau esančiame vaizdo įraše.

Loginio lygio keitiklio apribojimai

Grandinė tikrai turi tam tikrų apribojimų. Apribojimai labai priklauso nuo MOSFET pasirinkimo. Maksimali įtampa ir nutekėjimo srovė gali būti naudojama šios grandinės yra priklausoma nuo MOSFET specifikacijas. Taip pat minimali loginė įtampa yra 1,8 V. Mažesnė nei 1,8 V loginė įtampa neveiks tinkamai dėl MOSFET Vgs apribojimo. Esant žemesnei nei 1,8 V įtampai, gali būti naudojami tam skirti loginio lygio keitikliai.

Svarba ir programos

Kaip aptarta įžanginėje dalyje, nesuderinamas skaitmeninės elektronikos įtampos lygis yra sąsajos ir duomenų perdavimo problema. Todėl norint įveikti grandinės klaidas, susijusias su įtampos lygiu, reikalingas lygio keitiklis arba lygio keitiklis.

Dėl to, kad elektronikos rinkoje yra plataus diapazono loginių lygių grandinių, taip pat skirtingiems įtampos lygio mikrovaldikliams, loginio lygio perjungiklis turi neįtikėtiną naudojimo atvejį. Kai kuriems periferiniams įrenginiams ir seniems įrenginiams, kurie veikia remiantis I2C, UART ar garso kodeku, reikalingi lygio keitikliai, kad būtų galima bendrauti su mikrovaldikliu.

Populiarūs „Logic Level Converter IC“

Yra daugybė gamintojų, teikiančių integruotus loginio lygio konversijos sprendimus. Vienas iš populiariausių IC yra MAX232. Tai yra vienas iš labiausiai paplitusių loginių lygių keitiklių IC, kuris paverčia mikrovaldiklio loginę įtampą 5V į 12V. RS232 prievadas naudojamas bendrauti tarp kompiuterių su mikrovaldikliu ir reikalauja +/- 12 V. Mes jau anksčiau naudojome MAX232 su PIC ir keletu kitų mikrovaldiklių, kad susietume mikrovaldiklį su kompiuteriu.

Taip pat egzistuoja skirtingi reikalavimai, priklausomai nuo labai žemos įtampos lygio keitimo, keitimo greičio, vietos, kainos ir kt.

SN74AX taip pat yra populiari „ Texas Instruments“ dvikryptės įtampos keitiklio serija. Šiame segmente yra daugybė IC, siūlančių perėjimą nuo vieno iki 4 bitų tiekimo magistralę kartu su papildomomis funkcijomis.

Kitas populiarus dvikryptis loginio lygio keitiklio IC yra MAX3394E iš „ Maxim Integrated“. Jis naudoja tą pačią konversijos topologiją naudodamas MOSFET. Kaiščių schemą galima pamatyti žemiau esančiame paveikslėlyje. Keitiklis palaiko atskirą įjungimo kaištį, kurį galima valdyti naudojant mikrovaldiklius, o tai yra papildoma funkcija.

Aukščiau pateikta vidinė konstrukcija rodo tą pačią MOSFET topologiją, bet su P kanalo konfigūracija. Jis turi daug papildomų funkcijų, tokių kaip 15 kV ESD apsauga įvesties / išvesties ir VCC linijose. Tipinę schemą galima pamatyti žemiau esančiame paveikslėlyje.

Pirmiau pateikta schema rodo grandinę, kuri 1,8 V logikos lygį paverčia 3,3 V loginiu lygiu ir atvirkščiai. Sistemos valdiklis, kuris gali būti bet koks mikrovaldiklio blokas, taip pat valdo EN kaištį.

Taigi, viskas yra apie dvikryptės logikos lygio keitimo grandinę ir darbą.