Bi

ENIAC çağında, bilgisayarlar doğası gereği daha analogdu ve çok az dijital IC kullanıyordu. Bugün ortalama bir Joe'nun bilgisayarı birden fazla voltaj seviyesiyle çalışıyor, bir CPU'nun SMPS'sini görmüş olanlar, bilgisayarınızın çalışması için ± 12V, + 5V ve + 3.3V gerektirdiğini fark edeceklerdi. Bu voltaj seviyeleri bir bilgisayar için çok önemlidir; belirli bir voltaj, sinyalin durumunu belirler (yüksek veya düşük). Bu yüksek durum bilgisayar tarafından ikili 1 ve düşük durum ikili 0 olarak kabul edilir. 0 ve 1 durumuna bağlı olarak bilgisayar, gerekli çıktıyı sağlamak için veri, kod ve talimat üretir.

Modern mantık voltaj seviyeleri büyük ölçüde 1.8V ile 5V arasında değişmektedir. Standart mantık gerilimleri 5V, 3.3V, 1.8V, vs.'dir. Ancak, 5V mantık seviyesinde çalışan bir sistem veya kontrolör (Örnek Arduino), 3.3V (Örnek ESP8266) veya başka herhangi bir farklı voltaj ile çalışan başka bir sistemle nasıl iletişim kurar? seviye? Bu senaryo genellikle, birden fazla mikro denetleyicinin veya sensörün kullanıldığı birçok tasarımda ortaya çıkar ve buradaki çözüm, Mantık Seviyesi Dönüştürücü veya Mantık Seviyesi Değiştirici kullanmaktır. Bu makalede Mantık Seviyesi Dönüştürücüler hakkında daha fazla bilgi edineceğiz ve ayrıca devre tasarımlarınız için kullanışlı olacak MOSFET'i kullanarak basit bir Çift Yönlü Mantık Seviyesi dönüştürücü devresi oluşturacağız.

Yüksek Seviye ve Düşük Seviye Giriş voltajı

Bununla birlikte, mikroişlemci veya mikro denetleyici tarafından, mantık voltaj seviyesi değeri sabit değildir; biraz hoşgörülüdür. Örneğin, 5V mantık seviyeli mikro denetleyiciler için kabul edilen Mantık Yüksek (mantık 1) minimum 2.0 V (Minimum Yüksek Seviye Giriş Voltajı) ila maksimum 5.1 V (Maksimum Yüksek Seviye Giriş Voltajı) arasındadır. Benzer şekilde, mantık düşük (mantık 0) için kabul edilen voltaj değeri 0V (Minimum Düşük Seviye Giriş Voltajı) ile maksimum 8V (Maksimum Düşük Seviye Giriş Voltajı) arasındadır.

Yukarıdaki örnek, 5V mantık seviyeli mikro denetleyiciler için geçerlidir, ancak 3.3V ve 1.8V mantık düzeyinde mikro denetleyiciler de mevcuttur. Bu tür mikrodenetleyicilerde mantık seviyesi voltaj aralığı değişecektir. İlgili bilgileri söz konusu denetleyici IC'nin veri sayfasından alabilirsiniz. Gerilim seviye dönüştürücü kullanırken, yüksek gerilim değerinin ve düşük gerilim değerinin bu parametrelerin sınırları içinde olmasına dikkat edilmelidir.

Çift Yönlü Mantık Seviyesi Dönüştürücü

Uygulamaya ve teknik yapıya bağlı olarak, iki tip seviye değiştirici mevcuttur, Tek Yönlü Mantık Seviye Dönüştürücü ve Çift Yönlü Mantık Seviye Dönüştürücü. Tek yönlü seviye dönüştürücülerde, giriş pinleri bir voltaj alanı için tahsis edilmiştir ve çıkış pinleri diğer voltaj alanı için ayrılmıştır, ancak bu, iki yönlü seviye dönüştürücüler için geçerli değildir, mantık sinyallerini her iki yönde dönüştürebilir. İki yönlü seviye dönüştürücüler için, her voltaj alanı yalnızca giriş pinlerine sahip değildir, aynı zamanda çıkış pinine de sahiptir. Örneğin, giriş tarafına 5.5V sağlarsanız, çıkış tarafında 3.3V'a, benzer şekilde çıkış tarafına 3.3V sağlarsanız, giriş tarafında 5V'a çevirecektir.

Bu eğitimde, basit bir çift yönlü seviye dönüştürücü oluşturacağız ve bunu Yüksekten Alçağa dönüştürme ve Düşükten Yükseğe dönüştürme için test edeceğiz.

Basit Çift Yönlü Mantık Seviyesi Dönüştürücü

Aşağıdaki resimde basit bir çift yönlü mantık dönüştürücü devresi gösterilmektedir.

Devre, düşük voltaj mantık düzeyini yüksek voltaj mantık düzeyine dönüştürmek için n kanallı bir MOSFET kullanır. Dirençli voltaj bölücüler kullanılarak basit bir mantık seviyesi dönüştürücü de yapılabilir, ancak voltaj kaybına neden olacaktır. MOSFET veya transistör tabanlı mantık seviyesi dönüştürücüler profesyoneldir, güvenilirdir ve entegrasyonu daha güvenlidir.

Devre ayrıca iki ek bileşen, R1 ve R2 kullanır. Bunlar kaldırma dirençleri. En düşük parça sayısı nedeniyle, aynı zamanda uygun maliyetli bir çözümdür. Yukarıdaki devreye bağlı olarak, basit bir 3.3V ila 5V çift yönlü mantık dönüştürücü inşa edilecektir.

MOSFET kullanarak 5V - 3.3V Seviye Dönüştürücü

3.3V iki yönlü mantık seviye dönüştürücü 5V devre aşağıdaki resimde görüleceği -

Gördüğünüz gibi R1 ve R2 dirençlerine sabit 5V ve 3.3V voltaj sağlamalıyız. Pimleri Low_side_Logic_Input ve High_Side_Logic_Input birbirinin giriş ve çıkış pimlerinin olarak kullanılabilir.

Yukarıdaki devrede kullanılan bileşenler

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (N kanal MOSFET).

Her iki direnç de% 1 toleranslıdır. % 5 toleranslı dirençler de çalışacaktır. Ait pinouts BS170 MOSFET amacıyla aşağıda resimde görüleceği Drain, Gate ve Kaynak.

Devre yapısı, her biri 4.7k olan iki çekme direncinden oluşur. Drenaj ve MOSFET'in kaynak pini, düşükten yükseğe veya yüksekten düşüğe mantık dönüşümü için istenen voltaj seviyesine (bu durumda 5V ve 3.3V) çekilir. Ayrıca R1 ve R2 için 1k ila 10k arasında herhangi bir değeri kullanabilirsiniz çünkü bunlar yalnızca yukarı çekme dirençleri olarak işlev görür.

Mükemmel çalışma durumu için, devreyi kurarken yerine getirilmesi gereken iki koşul vardır. İlk koşul, düşük seviyeli mantık voltajının (bu durumda 3.3V) MOSFET'in kaynağına bağlanması ve yüksek seviyeli mantık voltajının (bu durumda 5V) MOSFET'in boşaltma pimine bağlanması gerektiğidir. İkinci koşul, MOSFET'in kapısının düşük voltaj kaynağına bağlanması gerektiğidir (bu durumda 3.3V).

Çift Yönlü Mantık Seviyesi Dönüştürücüsünün Simülasyonu

Mantıksal seviye kaydırıcı devresinin tam çalışması simülasyon sonuçları kullanılarak anlaşılabilir. Aşağıdaki GIF görüntüsünde görebileceğiniz gibi, yüksek seviyeden düşük seviyeye mantık dönüştürme sırasında Mantık giriş pini 5V ile 0V (toprak) arasında kaydırılır ve mantık çıkışı 3,3V ve 0V olarak elde edilir.

Benzer şekilde, düşük seviyeden yüksek seviyeye dönüştürme sırasında, Mantık girişi 3.3V ile 0V arasındadır ve aşağıdaki GIF görüntüsünde gösterildiği gibi 5V ve 0V Mantık çıkışına dönüştürülür.

Mantık Seviyesi Dönüştürücü Devresi Çalışması

Bu iki koşulu yerine getirdikten sonra devre üç durumda çalışır. Durumlar aşağıda açıklanmıştır.

1. Düşük taraf mantık 1 veya yüksek durumdayken (3.3V).
2. Düşük taraf mantık 0 veya düşük durumda (0V) olduğunda.
3. Yüksek taraf durumu 1'den 0'a veya yüksekten düşüğe (5V'den 0V'a) değiştirdiğinde

Düşük taraf yüksek olduğunda, bu, MOSFET'in kaynak voltajının 3.3V olduğu anlamına gelir, MOSFET'in Vgs eşik noktası nedeniyle MOSFET iletilmez. Bu noktada MOSFET'in kapısı 3.3V'dur ve MOSFET'in kaynağı da 3.3V'dur. Bu nedenle, Vgs 0V'dir. MOSFET kapalı. Düşük taraf girişinin mantık 1 veya yüksek durumu, pullup direnci R2 aracılığıyla MOSFET'in boşaltma tarafına 5V çıkış olarak yansır.

Bu durumda, MOSFET'in alçak tarafı durumunu yüksekten alçağa değiştirirse, MOSFET harekete geçer. Kaynak mantık 0'da olduğundan yüksek taraf da 0 oldu.

İki koşulun üzerindekiler, düşük voltaj mantık durumunu başarılı bir şekilde yüksek voltaj mantık durumuna dönüştürür.

Başka bir çalışma durumu, MOSFET'in yüksek tarafının durumunu yüksekten alçağa değiştirmesidir. Drenaj substrat diyotunun harekete geçmeye başladığı zamandır. MOSFET düşük tarafı, Vgs eşik noktasını geçene kadar düşük bir voltaj seviyesine çekilir. Hem alçak hem de yüksek voltaj bölümünün bara hattı aynı voltaj seviyesinde alçaldı.

Dönüştürücünün anahtarlama hızı

Mantıksal seviye dönüştürücü tasarlarken dikkate alınması gereken bir diğer önemli parametre Geçiş hızıdır. Çoğu mantık dönüştürücü USART, I2C vb. Gibi iletişim veri yolları arasında kullanılacağından, mantık dönüştürücünün iletişim hatlarının baud hızıyla eşleşecek kadar hızlı (geçiş hızı) geçmesi önemlidir.

Geçiş hızı, MOSFET'in anahtarlama hızı ile aynıdır. Dolayısıyla, BS170 veri sayfasına göre durumumuzda, MOSFET'in açılma süresi ve MOSFET'in kapanma süresi aşağıda belirtilmiştir. Bu nedenle mantık seviyesi dönüştürücü tasarımınız için doğru MOSFET'i seçmek önemlidir.

Bu nedenle, MOSFET'imiz 10nS'nin açılmasını ve 10nS'nin kapanmasını gerektirir, yani bir saniyede 10,00,000 kez açılıp kapanabilir. İletişim hattımızın saniyede 115200 bit (baud hızı) hızında çalıştığını varsayarsak, bu, saniyede yalnızca 1,15,200 kapanıp kapandığı anlamına gelir. Dolayısıyla, cihazımızı yüksek baud hızı iletişimi için de çok iyi kullanabiliriz.

Mantık Dönüştürücünüzü Test Etme

Devreyi test etmek için aşağıdaki bileşenler ve araçlar gereklidir -

1. İki farklı voltaj çıkışlı güç kaynağı.
2. İki multimetre.
3. İki dokunsal anahtar.
4. Bağlantı için birkaç kablo.

Şematik devreyi test etmek için değiştirildi.

Yukarıdaki şemada, iki ek dokunsal anahtar tanıtılmıştır. Ayrıca, mantık geçişini kontrol etmek için bir multimetre takılmıştır. SW1'e basıldığında, MOSFET'in alçak tarafı durumunu yüksekten alçağa değiştirir ve mantık seviyesi dönüştürücü, alçak gerilimden yüksek gerilime mantık seviyesi dönüştürücü olarak çalışır.

Öte yandan, SW2'ye basıldığında, MOSFET'in yüksek tarafı, durumunu yüksekten alçağa değiştirir ve mantık seviye dönüştürücü, yüksek voltajdan alçak voltaj mantık seviye dönüştürücü olarak çalışır.

Devre, bir devre tahtasında oluşturulur ve test edilir.

Yukarıdaki resim, MOSFET'in her iki tarafındaki mantık durumunu göstermektedir. Her ikisi de Mantık 1 durumunda.

Tam çalışma videosu aşağıdaki videoda görülebilir.

Mantık Seviyesi Dönüştürücüsünün Sınırlamaları

Devrenin kesinlikle bazı sınırlamaları vardır. Sınırlamalar büyük ölçüde MOSFET'in seçimine bağlıdır. Maksimum gerilim ve boşaltma akımı bu devre de kullanılabilir MOSFET şartnamesine bağlıdır. Ayrıca minimum mantık voltajı 1.8V'dir. MOSFET'in Vgs sınırlaması nedeniyle 1.8V'den düşük mantık voltajı düzgün çalışmayacaktır. 1.8V'den daha düşük voltaj için, özel mantık seviyesi dönüştürücüler kullanılabilir.

Önemi ve Uygulamaları

Giriş bölümünde tartışıldığı gibi, dijital elektroniklerdeki uyumsuz voltaj seviyesi, arayüz oluşturma ve veri iletimi için bir sorundur. Bu nedenle, devrede voltaj seviyesiyle ilgili hataların üstesinden gelmek için bir seviye dönüştürücü veya seviye değiştirici gereklidir.

Elektronik pazarındaki geniş aralıklı mantık seviyesi devrelerinin ve ayrıca farklı voltaj seviyeli mikrodenetleyiciler için kullanılabilirliği nedeniyle, mantık seviyesi değiştirici inanılmaz bir kullanım durumuna sahiptir. I2C, UART veya ses kodeğine dayalı olarak çalışan çeşitli çevre birimleri ve eski cihazlar, bir mikro denetleyici ile iletişim amacıyla seviye dönüştürücülere ihtiyaç duyar.

Popüler Mantık Seviyesi Dönüştürücü IC'leri

Mantık düzeyinde dönüşüm için entegre çözümler sunan birçok üretici vardır. Popüler IC'lerden biri MAX232'dir. Mikrodenetleyici mantık voltajını 5V'yi 12V'a dönüştüren en yaygın mantık seviyesi dönüştürücülerden biridir. RS232 portu, mikrodenetleyiciye sahip bilgisayarlar arasında iletişim kurmak için kullanılır ve +/- 12V gerektirir. Bir mikro denetleyiciyi bilgisayarla arabirim haline getirmek için daha önce MAX232'yi PIC ve diğer birkaç mikro denetleyiciyle birlikte kullandık.

Çok düşük voltaj seviyesi dönüşümüne, dönüşüm hızına, alana, maliyete vb. Bağlı olarak farklı gereksinimler de vardır.

SN74AX aynı zamanda Texas Instruments'ın popüler bir çift yönlü voltaj seviyesi dönüştürücü serisidir. Bu segmentte, ek özelliklerle birlikte tek bitten 4 bitlik tedarik veriyoluna geçiş sunan birçok IC vardır.

IC çevirici diğer popüler iki yönlü mantık seviyesidir MAX3394E gelen Maxim Entegre. MOSFET kullanarak aynı dönüşüm topolojisini kullanır. Pim diyagramı aşağıdaki resimde görülebilir. Dönüştürücü, eklenen bir özellik olan mikro denetleyiciler kullanılarak kontrol edilebilen ayrı etkinleştirme pimini destekler.

Yukarıdaki dahili yapı, aynı MOSFET topolojisini gösteriyor, ancak P-kanal yapılandırmasıyla. G / Ç ve VCC hatlarında 15kV ESD koruması gibi birçok ekstra özelliğe sahiptir. Tipik şematik aşağıdaki resimde görülebilir.

Yukarıdaki şema, 1.8V mantık seviyesini 3.3V mantık seviyesine ve tersi yönde dönüştüren bir devreyi göstermektedir. Herhangi bir mikro denetleyici birimi olabilen sistem denetleyicisi de EN pinini kontrol etmektedir.

Yani, bu tamamen Çift yönlü mantık seviyesi dönüştürme devresi ve çalışma ile ilgili.