Bi

Bumalik sa panahon ng ENIAC, ang mga computer ay higit na likas sa analog at gumamit ng napakakaunting mga digital IC. Ngayon ang isang average na computer ni Joe ay gumagana sa maraming mga antas ng boltahe, ang mga taong nakakita sa SMPS ng isang CPU ay napansin na ang iyong computer ay nangangailangan ng ± 12V, + 5V at + 3.3V upang gumana. Ang mga antas ng boltahe na ito ay napakahalaga para sa isang computer; tinutukoy ng isang tukoy na boltahe ang estado ng signal (mataas o mababa). Ang mataas na estado na ito ay tinanggap ng computer bilang binary 1 at ang mababang estado bilang binary 0. Nakasalalay sa kundisyon ng 0 at 1 na computer na gumagawa ng data, mga code, at mga tagubilin upang magbigay ng kinakailangang output.

Ang mga antas ng modernong boltahe ng lohika ay higit na nag-iiba mula 1.8V hanggang 5V. Ang karaniwang mga voltages ng lohika ay 5V, 3.3V, 1.8V, atbp. Ngunit, Paano gumagana ang isang system o tagapamahala na gumagana sa 5V antas ng lohika (Halimbawa Arduino) na makipag-usap sa isa pang system na gumagana sa 3.3V (Halimbawa ng ESP8266) o anumang iba pang iba't ibang boltahe antas? Ang senaryong ito ay madalas na nangyayari sa maraming mga disenyo, kung saan maraming mga micro-controller o sensor ang ginagamit at ang solusyon dito ay ang paggamit ng isang Logic Level Converter o Logic Level Shifter. Sa artikulong ito matututunan namin ang higit pa tungkol sa Mga Converter ng Antas ng Logic at magtatayo rin kami ng isang simpleng circuit ng converter ng Antas ng Logic na antas ng direksyon na gamit ang MOSFET na madaling gamiting para sa iyong mga disenyo ng mga circuit.

Mataas na Antas at Mababang-Antas na boltahe ng pag-input

Gayunpaman, mula sa microprocessor o sa bahagi ng microcontroller, ang halaga ng antas ng boltahe ng lohika ay hindi isang nakapirming; ito ay may ilang pagpapaubaya dito. Halimbawa, ang tinanggap na Logic High (lohika 1) para sa 5V na antas ng mga microcontroller na antas ay minimum na 2.0V (Minimum High Level Input Voltage) sa isang maximum na 5.1V (Maximum High Level Input Voltage). Katulad nito, para sa mababang lohika (lohika 0) ang tinatanggap na halaga ng boltahe ay mula sa 0V (Minimum Mababang Antas na Input Boltahe) hanggang sa maximum na 8V (Maximum Low Level Level na Pag-input ng Boltahe).

Ang nasa itaas na halimbawa ay totoo para sa 5V antas ng lohika na mga microcontroller ngunit magagamit din ang 3.3V at 1.8V antas ng lohika na mga microcontroller. Sa ganitong uri ng mga microcontroller, magkakaiba ang saklaw na boltahe sa antas ng lohika. Maaari mong makuha ang nauugnay na impormasyon mula sa datasheet ng partikular na Controller na IC. Kapag gumagamit ng isang converter ng antas ng boltahe, dapat alagaan na ang mataas na halaga ng boltahe at mababang halaga ng boltahe ay nasa loob ng limitasyon ng mga parameter na ito.

Bi-directional Logic Level Converter

Nakasalalay sa application at teknikal na konstruksyon, magagamit ang dalawang uri ng mga shifter sa antas, Unidirectional Logic Level Converter at Bi-directional Logic Level Converter. Sa mga unidirectional level converter, ang mga input pin ay nakatuon para sa isang boltahe domain at ang mga output pin ay nakatuon para sa iba pang boltahe na domain, ngunit hindi ito ang kaso para sa mga converter ng antas ng bi-directional na maaari nitong mai - convert ang mga signal ng lohika sa parehong direksyon. Para sa mga converter ng antas ng Bi-directional, ang bawat boltahe na domain ay hindi lamang may mga input pin ngunit mayroon ding output pin. Halimbawa kung magbibigay ka ng 5.5V sa input na bahagi ay i-convert ito sa 3.3V sa bahagi ng output, katulad kung magbigay ka ng 3.3V sa bahagi ng output, i-convert ito sa 5V sa input na bahagi.

Sa tutorial na ito, gagawa kami ng isang simpleng converter ng antas ng bi-directional at susubukan ito para sa Mataas hanggang Mababang conversion at Mababang sa Mataas na conversion.

Simpleng Bi-directional Logic Level Converter

Ang isang simpleng bi-directional logic converter circuit ay ipinapakita sa larawan sa ibaba.

Gumagamit ang circuit ng isang n-channel MOSFET upang mai-convert ang antas ng mababang boltahe na lohika sa isang antas ng mataas na boltahe na lohika. Ang isang simpleng converter ng antas ng lohika ay maaari ding itayo gamit ang resistive boltahe ng mga divider ngunit magpapakilala ito ng pagkawala ng boltahe. Ang mga converter ng antas ng lohika na batay sa transistor ay batay sa MOSFET o propesyonal, maaasahan, at mas ligtas na isama.

Gumagamit din ang circuit ng dalawang karagdagang bahagi, R1 at R2. Iyon ay mga pull-up resistors. Dahil sa pinakamababang bilang ng bahagi, ito ay isang solusyon na epektibo rin sa gastos. Nakasalalay sa circuit sa itaas, isang simpleng 3.3V hanggang 5V bi-directional logic converter ang itatayo.

5V hanggang 3.3V Level Converter gamit ang MOSFET

Ang 5V hanggang 3.3V bi-directional logic level converter circuit ay makikita sa larawan sa ibaba -

Tulad ng nakikita mong mayroon kaming upang magbigay ng isang pare-pareho boltahe ng 5V at 3.3V sa mga resistors R1 at R2. Ang mga pin na Low_side_Logic_Input at High_Side_Logic_Input ay maaaring palitan na magamit bilang mga Input at Output na pin.

Ang mga sangkap na ginamit sa circuit sa itaas ay

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (N channel MOSFET).

Ang parehong resistors ay 1% mapagparaya. Ang mga resistors na may 5% tolerance ay gagana rin. Ang mga pinout ng BS170 MOSFET ay makikita sa larawan sa ibaba na nasa pagkakasunud-sunod ng Drain, Gate at Source.

Ang konstruksyon ng circuit ay binubuo ng dalawang pull up resistors na 4.7k bawat isa. Ang alisan ng tubig at ang pin na pinagmulan ng MOSFET ay hinila hanggang sa nais na antas ng boltahe (sa kasong ito 5V at 3.3V) para sa mababa sa mataas o mataas sa mababang conversion ng lohika. Maaari mo ring gamitin ang anumang halaga sa pagitan ng 1k hanggang 10k para sa R1 at R2 dahil kumikilos lamang sila bilang mga pull up resistor.

Para sa perpektong estado ng pagtatrabaho, mayroong dalawang kundisyon na kailangang matugunan habang itinatayo ang circuit. Ang unang kundisyon ay, ang mababang antas ng boltahe ng lohika (3.3V sa kasong ito) ay nangangailangan na maiugnay sa pinagmulan ng MOSFET at ang mataas na antas na boltahe ng lohika (5V sa kasong ito) ay dapat na konektado sa drave pin ng MOSFET. Ang pangalawang kondisyon ay, ang gate ng MOSFET ay kailangang maiugnay sa mababang boltahe na supply (3.3V sa kasong ito).

Simulation ng Bi-Directional Logic Level Converter

Ang kumpletong pagtatrabaho ng antas ng shifter na antas ng lohika ay maaaring maunawaan sa pamamagitan ng paggamit ng mga resulta ng simulation. Tulad ng nakikita mo sa imahe ng GIF sa ibaba, sa panahon ng mataas na antas sa mababang antas ng conversion ng lohika, ang pin ng Logic input ay inilipat sa pagitan ng 5V at 0V (ground) at ang output ng lohika ay nakuha bilang 3.3V at 0V.

Katulad nito sa panahon ng mababang antas sa mataas na antas ng pag-convert ang Logic input ay nasa pagitan ng 3.3V at 0V ay na-convert sa Logic output na 5V at 0V tulad ng ipinakita sa imaheng GIF sa ibaba.

Gumagana ang Logic Level Converter Circuit

Matapos matupad ang dalawang kundisyon na iyon, gagana ang circuit sa tatlong mga estado. Ang mga estado ay inilarawan sa ibaba.

1. Kapag ang mababang bahagi ay nasa lohika 1 o mataas na estado (3.3V).
2. Kapag ang mababang bahagi ay nasa lohika 0 o mababang estado (0V).
3. Kapag binago ng Mataas na panig ang estado mula 1 hanggang 0 o mataas hanggang mababa (5V hanggang 0V)

Kapag ang mababang bahagi ay mataas, nangangahulugan iyon na ang mapagkukunan ng boltahe ng MOSFET ay 3.3V, ang MOSFET ay hindi nagsasagawa dahil sa ang Vgs threshold point ng MOSFET ay hindi nakakamit. Sa puntong ito ang gate ng MOSFET ay 3.3V at ang mapagkukunan ng MOSFET ay 3.3V din. Samakatuwid, ang Vgs ay 0V. Naka-off ang MOSFET. Ang lohika 1 o mataas na estado ng mababang bahagi ng input ay sumasalamin sa kanal ng alisan ng MOSFET bilang isang 5V output sa pamamagitan ng pullup risistor R2.

Sa sitwasyong ito, kung binabago ng mababang bahagi ng MOSFET ang estado nito mula sa mataas hanggang sa mababa, nagsisimulang magsagawa ang MOSFET. Ang mapagkukunan ay nasa lohika 0, kaya't ang mataas na panig ay naging 0 din.

Ang mga nasa itaas ng dalawang mga kondisyon ay matagumpay na na-convert ang mababang boltahe na estado ng lohika sa isang mataas na boltahe na estado ng lohika.

Ang isa pang estado ng pagtatrabaho ay kapag binago ng mataas na bahagi ng MOSFET ang estado nito mula sa mataas hanggang sa mababa. Ito ang oras kung kailan nagsisimulang magsagawa ng diode ng substrate na alisan ng tubig. Ang mababang bahagi ng MOSFET ay hinila pababa sa isang mababang antas ng boltahe hanggang sa tumawid ang Vgs sa threshold point. Ang linya ng bus ng parehong mababa at mataas na seksyon ng boltahe ay naging mababa sa parehong antas ng boltahe.

Ang bilis ng paglipat ng Converter

Ang isa pang mahalagang parameter na isasaalang-alang kapag ang pagdidisenyo ng isang converter ng antas ng lohika ay ang bilis ng Paglipat. Dahil ang karamihan sa mga converter ng lohika ay gagamitin sa pagitan ng mga bus ng komunikasyon tulad ng USART, I2C atbp. Mahalaga para sa converter ng lohika na lumipat ng sapat na bilis (bilis ng paglipat) upang tumugma sa baud rate ng mga linya ng komunikasyon.

Ang bilis ng paglipat ay kapareho ng bilis ng paglipat ng MOSFET. Samakatuwid sa aming kaso ayon sa datasheet ng BS170, ang oras ng pag-turn ng MOSFET at oras ng pag-turn-off ng MOSFET ay nakasaad sa ibaba. Samakatuwid mahalaga na piliin ang tamang MOSFET para sa iyong disenyo ng antas ng converter ng lohika.

Kaya't ang aming MOSFET dito ay nangangailangan ng 10nS upang i-on at 10nS upang i-off, nangangahulugang maaari itong i-on at i-off 10,00,000 beses sa isang segundo. Ipagpalagay na ang aming linya ng komunikasyon ay tumatakbo sa isang bilis ng (baud rate) 115200 bits bawat segundo, pagkatapos ay nangangahulugang lumiliko at naka-off lamang ito ng 1,15,200 sa isang segundo. Sa gayon maaari naming gamitin nang mahusay ang aming aparato para sa mataas na baud rate na komunikasyon din.

Pagsubok sa iyong Logic Converter

Ang mga sumusunod na sangkap at tool ay kinakailangan upang subukan ang circuit -

1. Ang supply ng kuryente na may dalawang magkakaibang output ng boltahe.
2. Dalawang multimeter.
3. Dalawang switch ng pandamdam.
4. Ilang mga wire para sa koneksyon.

Ang eskematiko ay binago upang subukan ang circuit.

Sa eskematiko sa itaas, ipinakilala ang dalawang karagdagang mga switch ng pandamdam. Gayundin, ang isang multimeter ay nakakabit upang suriin ang paglipat ng lohika. Sa pamamagitan ng pagpindot sa SW1, ang mababang bahagi ng MOSFET ay nagbabago ng estado nito mula sa mataas hanggang sa mababa at ang converter ng antas ng lohika ay gumagana bilang isang mababang boltahe hanggang sa mataas na boltahe na antas ng converter ng lohika.

Sa kabilang banda, sa pamamagitan ng pagpindot sa SW2, ang mataas na bahagi ng MOSFET ay binabago ang estado nito mula sa mataas hanggang sa mababa at ang converter ng antas ng lohika ay gumagana bilang isang mataas na boltahe sa mababang boltahe na antas ng converter ng converter.

Ang circuit ay itinayo sa isang breadboard at nasubok.

Ang larawan sa itaas ay ipinapakita ang estado ng lohika sa magkabilang panig ng MOSFET. Parehong nasa estado ng Logic 1.

Ang buong gumaganang video ay maaaring makita sa video sa ibaba.

Mga limitasyon ng Converter ng Antas ng Logic

Ang circuit ay tiyak na may ilang mga limitasyon. Ang mga limitasyon ay lubos na nakasalalay sa pagpili ng MOSFET. Ang maximum na boltahe at kasalukuyang alisan ng tubig ay maaaring magamit sa circuit na ito ay nakasalalay sa pagtutukoy ng MOSFET. Gayundin, ang minimum na boltahe ng lohika ay 1.8V. Mas mababa sa 1.8V na boltahe ng lohika ay hindi gagana nang maayos dahil sa limitasyon ng Vgs ng MOSFET. Para sa mas mababang boltahe kaysa sa 1.8V, maaaring magamit ang mga nakatuon na antas ng converter ng lohika.

Kahalagahan at Aplikasyon

Tulad ng tinalakay sa pambungad na bahagi, ang hindi tugma na antas ng boltahe sa digital electronics ay isang problema para sa interfacing at paghahatid ng data. Samakatuwid, kinakailangan ng level converter o level shifter upang mapagtagumpayan ang mga error na nauugnay sa antas ng boltahe sa circuitry.

Dahil sa pagkakaroon ng malawak na saklaw na mga antas ng lohika sa merkado ng electronics at para din sa iba't ibang mga antas ng microcontroller sa antas ng boltahe, ang shifter sa antas ng lohika ay may hindi kapani-paniwalang kaso ng paggamit. Maraming mga peripheral at legacy device na gumagana batay sa I2C, UART, o audio codec, kailangan ng mga converter ng antas para sa mga layunin ng komunikasyon sa isang microcontroller.

Mga sikat na Logic Level Converter IC

Maraming mga tagagawa ang nagbibigay ng pinagsamang mga solusyon para sa conversion sa antas ng lohika. Ang isa sa mga tanyag na IC ay MAX232. Ito ay isa sa pinakakaraniwang mga antas ng converter ng antas ng lohika na nagko-convert ng microcontroller logic voltage 5V hanggang 12V. Ang port ng RS232 ay ginagamit upang makipag-usap sa pagitan ng mga computer sa isang microcontroller at nangangailangan ng +/- 12V. Nagamit na namin ang MAX232 sa PIC at ilang iba pang mga microcontroller nang mas maaga upang mag-interface ng isang microcontroller sa computer.

Mayroong iba't ibang mga kinakailangan na mayroon din depende sa napakababang antas ng conversion ng boltahe, bilis ng conversion, puwang, gastos, atbp.

Ang SN74AX ay isang tanyag din na serye ng bi-directional voltage level converter ng Texas Instruments. Maraming mga IC sa segment na ito na nag-aalok ng isang solong hanggang 4-bit na paglipat ng supply ng bus kasama ang mga karagdagang tampok.

Ang isa pang tanyag na antas ng converter ng antas ng lohika ng bi-direksyong MAX3394E mula sa Maxim Integrated. Gumagamit ito ng parehong topology ng conversion gamit ang MOSFET. Ang diagram ng pin ay makikita sa larawan sa ibaba. Sinusuportahan ng converter ang hiwalay na paganahin ang pin na maaaring makontrol gamit ang mga microcontroller na isang idinagdag na tampok.

Ang itaas na panloob na konstruksyon ay nagpapakita ng parehong topology ng MOSFET ngunit may pagsasaayos ng P-channel. Marami itong dagdag na idinagdag na tampok tulad ng proteksyon ng 15kV ESD sa mga linya ng I / O at VCC. Ang tipikal na eskematiko ay makikita sa larawan sa ibaba.

Ang iskematikong nasa itaas ay nagpapakita ng isang circuit na kung saan ay nagko-convert ang 1.8V antas ng lohika sa isang antas ng 3.3V na lohika at vice versa. Ang system controller na maaaring maging anumang yunit ng microcontroller ay kinokontrol din ang EN pin.

Kaya, ito ay tungkol sa bi-directional na antas ng conversion ng antas ng lohika at gumagana.