ไบ

ย้อนกลับไปในยุค ENIAC คอมพิวเตอร์มีลักษณะเป็นอนาล็อกมากกว่าและใช้ IC ดิจิทัลน้อยมาก ทุกวันนี้คอมพิวเตอร์ของ Joe โดยเฉลี่ยทำงานกับแรงดันไฟฟ้าหลายระดับผู้ที่เคยเห็น SMPS ของ CPU จะสังเกตเห็นว่าคอมพิวเตอร์ของคุณต้องใช้± 12V, + 5V และ + 3.3V ในการทำงาน ระดับแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้มีความสำคัญมากสำหรับคอมพิวเตอร์ แรงดันไฟฟ้าเฉพาะกำหนดสถานะของสัญญาณ (สูงหรือต่ำ) สถานะสูงนี้ได้รับการยอมรับจากคอมพิวเตอร์ว่าเป็นไบนารี 1 และสถานะต่ำเป็นไบนารี 0 ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคอมพิวเตอร์เงื่อนไข 0 และ 1 จะสร้างข้อมูลรหัสและคำแนะนำเพื่อจัดเตรียมเอาต์พุตที่ต้องการ

ระดับแรงดันลอจิกสมัยใหม่ส่วนใหญ่แตกต่างกันไปตั้งแต่ 1.8V ถึง 5V แรงดันลอจิกมาตรฐานคือ 5V, 3.3V, 1.8V เป็นต้น แต่ระบบหรือตัวควบคุมทำงานกับระดับลอจิก 5V อย่างไร (ตัวอย่าง Arduino) สื่อสารกับระบบอื่นที่ทำงานกับ 3.3V (ตัวอย่าง ESP8266) หรือแรงดันไฟฟ้าอื่น ๆ ระดับ? สถานการณ์นี้มักจะเกิดขึ้นในการออกแบบจำนวนมากที่มีหลายไมโครคอนโทรลเลอร์หรือเซ็นเซอร์มีการใช้และวิธีการแก้ปัญหาที่นี่คือการใช้ระดับแปลงลอจิกหรือระดับลอจิก Shifter ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวแปลงระดับลอจิกและเราจะสร้างวงจรแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทางโดยใช้ MOSFETซึ่งจะเป็นประโยชน์สำหรับการออกแบบวงจรของคุณ

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าระดับสูงและระดับต่ำ

อย่างไรก็ตามจากไมโครโปรเซสเซอร์หรือด้านไมโครคอนโทรลเลอร์ค่าระดับแรงดันลอจิกจะไม่คงที่ มันมีความอดทนกับมันบ้าง ตัวอย่างเช่น Logic High (ลอจิก 1) ที่ยอมรับสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ระดับลอจิก 5V คือต่ำสุด 2.0V (แรงดันไฟฟ้าอินพุตระดับสูงต่ำสุด) ถึงสูงสุด 5.1V (แรงดันไฟฟ้าอินพุตระดับสูงสูงสุด) ในทำนองเดียวกันสำหรับลอจิกต่ำ (ลอจิก 0) ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ยอมรับคือตั้งแต่ 0V (แรงดันไฟฟ้าอินพุตระดับต่ำสุด) ถึงสูงสุด 8V (แรงดันไฟฟ้าขาเข้าระดับต่ำสุดสูงสุด)

ตัวอย่างด้านบนเป็นจริงสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ระดับลอจิก 5V แต่ยังมีไมโครคอนโทรลเลอร์ระดับลอจิก 3.3V และ 1.8V ในไมโครคอนโทรลเลอร์ประเภทดังกล่าวช่วงแรงดันไฟฟ้าระดับลอจิกจะแตกต่างกันไป คุณสามารถรับข้อมูลที่เกี่ยวข้องได้จากแผ่นข้อมูลของ IC ตัวควบคุมนั้น ๆ เมื่อใช้ตัวแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าควรใช้ความระมัดระวังว่าค่าไฟฟ้าแรงสูงและค่าแรงดันไฟฟ้าต่ำอยู่ภายในขีด จำกัด ของพารามิเตอร์เหล่านี้

Bi-directional Logic Level Converter

ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้และการก่อสร้างทางเทคนิคทั้งสองประเภทของจำแลงระดับที่มีทิศทางเดียวระดับลอจิก Converterและสองทิศทางระดับลอจิกแปลงในแปลงระดับทิศทางเดียว, ขาอินพุตจะทุ่มเทสำหรับโดเมนของแรงดันไฟฟ้าและหมุดที่ส่งออกจะทุ่มเทสำหรับโดเมนแรงดันไฟฟ้าอื่น ๆ แต่กรณีนี้ไม่ได้สำหรับการแปลงระดับสองทิศทางมันสามารถแปลงสัญญาณตรรกะในทั้งสองทิศทางสำหรับตัวแปลงระดับสองทิศทางแต่ละโดเมนแรงดันไฟฟ้าไม่เพียง แต่มีพินอินพุต แต่ยังมีขาเอาต์พุตด้วย ตัวอย่างเช่นถ้าคุณให้ 5.5V ไปยังด้านอินพุตมันจะแปลงเป็น 3.3V ที่ด้านเอาต์พุตในทำนองเดียวกันถ้าคุณให้ 3.3V ไปยังด้านเอาต์พุตมันจะแปลงเป็น 5V ที่ด้านอินพุต

ในการกวดวิชานี้เราจะสร้างง่ายแปลงระดับสองทิศทางและจะทดสอบสำหรับสูงเพื่อการแปลงต่ำและต่ำเพื่อการแปลงสูง

ตัวแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทางอย่างง่าย

วงจรแปลงลอจิกสองทิศทางอย่างง่ายแสดงในภาพด้านล่าง

วงจรใช้มอสเฟตแบบ n-channel เพื่อแปลงระดับลอจิกแรงดันไฟฟ้าต่ำเป็นระดับลอจิกแรงดันสูง นอกจากนี้ยังสามารถสร้างตัวแปลงระดับลอจิกแบบง่ายโดยใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบต้านทาน แต่จะทำให้สูญเสียแรงดันไฟฟ้า MOSFET หรือตัวแปลงระดับลอจิกที่ใช้ทรานซิสเตอร์เป็นมืออาชีพเชื่อถือได้และปลอดภัยกว่าในการผสานรวม

วงจรนี้ยังใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมอีกสองส่วนคือ R1 และ R2 นั่นคือตัวต้านทานแบบดึงขึ้น เนื่องจากจำนวนชิ้นส่วนต่ำที่สุดจึงเป็นโซลูชันที่คุ้มค่าด้วย ขึ้นอยู่กับวงจรข้างต้นจะสร้างตัวแปลงลอจิกสองทิศทาง 3.3V ถึง 5V อย่างง่าย

ตัวแปลงระดับ 5V ถึง 3.3V โดยใช้ MOSFET

5V เพื่อ 3.3V สองทิศทางตรรกะระดับแปลง วงจรที่สามารถมองเห็นในภาพด้านล่าง -

อย่างที่คุณเห็นเราต้องจัดหาแรงดันไฟฟ้าคงที่ 5V และ 3.3V ให้กับตัวต้านทาน R1 และ R2 หมุดLow_side_Logic_InputและHigh_Side_Logic_Inputสามารถใช้แทนกันเป็นพินอินพุตและเอาต์พุตได้

ส่วนประกอบที่ใช้ในวงจรข้างต้นคือ

R1 - 4.7 พัน

R2 - 4.7 พัน

Q1 - BS170 (MOSFET ช่อง N)

ตัวต้านทานทั้งสองมีความทนทาน 1% ตัวต้านทานที่มีความอดทน 5% ก็จะทำงานเช่นกัน pinouts ของBS170 MOSFETสามารถมองเห็นในภาพด้านล่างซึ่งอยู่ในลำดับที่ท่อระบายน้ำ, ประตูเมืองและแหล่งที่มา

โครงสร้างวงจรประกอบด้วยตัวต้านทานแบบดึงขึ้นตัวละ 4.7k สองตัว ท่อระบายน้ำและพินต้นทางของ MOSFET จะถูกดึงขึ้นไปที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ (ในกรณีนี้คือ 5V และ 3.3V) สำหรับการแปลงลอจิกต่ำไปสูงหรือสูงถึงต่ำ คุณยังสามารถใช้ค่าใดก็ได้ระหว่าง 1k ถึง 10k สำหรับ R1 และ R2 เนื่องจากทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานแบบดึงขึ้นเท่านั้น

สำหรับสถานะการทำงานที่สมบูรณ์แบบมีสองเงื่อนไขที่ต้องปฏิบัติตามในขณะสร้างวงจร เงื่อนไขแรกคือแรงดันลอจิกระดับต่ำ (3.3V ในกรณีนี้) จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับแหล่งที่มาของ MOSFET และต้องเชื่อมต่อแรงดันลอจิกระดับสูง (5V ในกรณีนี้) กับขาระบายของ MOSFET เงื่อนไขที่สองคือประตูของ MOSFET ต้องเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าต่ำ (ในกรณีนี้คือ 3.3V)

การจำลองตัวแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทาง

การทำงานที่สมบูรณ์ของวงจรชิฟเตอร์ระดับลอจิกสามารถเข้าใจได้โดยใช้ผลการจำลอง ดังที่คุณเห็นในภาพ GIF ด้านล่างในระหว่างการแปลงลอจิกระดับสูงถึงระดับต่ำขาอินพุตลอจิกจะเลื่อนระหว่าง 5V และ 0V (กราวด์) และเอาต์พุตลอจิกจะได้รับเป็น 3.3V และ 0V

ในทำนองเดียวกันระหว่างการแปลงระดับต่ำเป็นระดับสูงอินพุตลอจิกอยู่ระหว่าง 3.3V และ 0V จะถูกแปลงเป็นเอาต์พุตลอจิกที่ 5V และ 0V ดังแสดงในภาพ GIF ด้านล่าง

วงจรแปลงระดับลอจิกทำงาน

หลังจากปฏิบัติตามเงื่อนไขทั้งสองนี้แล้ววงจรจะทำงานในสามสถานะ รัฐได้อธิบายไว้ด้านล่าง

1. เมื่อด้านต่ำอยู่ในลอจิก 1 หรือสถานะสูง (3.3V)
2. เมื่อด้านต่ำอยู่ในลอจิก 0 หรือสถานะต่ำ (0V)
3. เมื่อด้านสูงเปลี่ยนสถานะจาก 1 เป็น 0 หรือสูงไปต่ำ (5V เป็น 0V)

เมื่อด้านต่ำสูงนั่นหมายถึงแรงดันไฟฟ้าต้นทางของ MOSFET คือ 3.3V MOSFET จะไม่ทำงานเนื่องจากไม่บรรลุจุดเกณฑ์ Vgs ของ MOSFET ณ จุดนี้ประตูของ MOSFET คือ 3.3V และแหล่งที่มาของ MOSFET ก็คือ 3.3V ดังนั้น Vgs คือ 0V MOSFET ปิดอยู่ ลอจิก 1 หรือสถานะสูงของอินพุตด้านต่ำจะสะท้อนที่ด้านระบายของ MOSFET เป็นเอาต์พุต 5V ผ่านตัวต้านทานแบบดึงขึ้น R2

ในสถานการณ์เช่นนี้หากด้านล่างของ MOSFET เปลี่ยนสถานะจากสูงไปต่ำ MOSFET จะเริ่มทำงาน แหล่งที่มาอยู่ในลอจิก 0 ดังนั้นด้านสูงจึงกลายเป็น 0

เงื่อนไขสองข้อข้างต้นสามารถแปลงสถานะลอจิกแรงดันไฟฟ้าต่ำเป็นสถานะลอจิกแรงดันสูง

อีกสถานะการทำงานคือเมื่อด้านสูงของ MOSFET เปลี่ยนสถานะจากสูงไปต่ำ เป็นเวลาที่ไดโอดพื้นผิวท่อระบายน้ำเริ่มทำงาน MOSFET ด้านต่ำถูกดึงลงไปที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำจนกว่า Vgs จะข้ามจุดเกณฑ์ สายบัสของส่วนไฟฟ้าแรงต่ำและแรงสูงต่ำที่ระดับแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน

การเปลี่ยนความเร็วของตัวแปลง

พารามิเตอร์ที่สำคัญอีกอย่างที่ควรพิจารณาเมื่อออกแบบตัวแปลงระดับลอจิกคือความเร็วในการเปลี่ยน เนื่องจากตัวแปลงลอจิกส่วนใหญ่จะใช้ระหว่างบัสสื่อสารเช่น USART, I2C เป็นต้นจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับตัวแปลงลอจิกที่จะเปลี่ยนเร็วพอ (ความเร็วในการเปลี่ยน) เพื่อให้สอดคล้องกับอัตราการส่งข้อมูลของสายสื่อสาร

ความเร็วในการเปลี่ยนจะเหมือนกับความเร็วในการเปลี่ยนของ MOSFET ดังนั้นในกรณีของเราตามเอกสารข้อมูล BS170 เวลาเปิดเครื่องของ MOSFET และเวลาปิดเครื่องของ MOSFET จะระบุไว้ด้านล่าง จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะเลือกที่เหมาะสมสำหรับ MOSFET ตรรกะการออกแบบแปลงระดับของคุณ

ดังนั้น MOSFET ของเราที่นี่ต้องใช้ 10nS ในการเปิดและ 10nS ในการปิดหมายความว่าสามารถเปิดและปิดได้ 10,00,000 ครั้งในหนึ่งวินาที สมมติว่าสายสื่อสารของเราทำงานด้วยความเร็ว (อัตราการรับส่งข้อมูล) 115200 บิตต่อวินาทีหมายความว่าสายนี้จะเปิดและปิดเพียง 1,15,200 ในหนึ่งวินาที ดังนั้นเราจึงสามารถใช้อุปกรณ์ของเราเพื่อการสื่อสารที่มีอัตราการส่งข้อมูลสูงได้เป็นอย่างดี

การทดสอบ Logic Converter ของคุณ

ต้องใช้ส่วนประกอบและเครื่องมือต่อไปนี้เพื่อทดสอบวงจร -

1. แหล่งจ่ายไฟที่มีเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันสองแบบ
2. มัลติมิเตอร์สองตัว
3. สวิตช์สัมผัสสองปุ่ม
4. สายไฟน้อยสำหรับการเชื่อมต่อ

แผนผังถูกแก้ไขเพื่อทดสอบวงจร

ในแผนผังข้างต้นมีการแนะนำสวิตช์สัมผัสเพิ่มเติมสองตัว นอกจากนี้ยังติดตั้งมัลติมิเตอร์เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนตรรกะ เมื่อกด SW1ด้านต่ำของ MOSFET จะเปลี่ยนสถานะจากสูงไปต่ำและตัวแปลงระดับลอจิกจะทำงานเป็นตัวแปลงระดับลอจิกแรงดันไฟฟ้าต่ำไปเป็นแรงดันสูง

ในทางกลับกันโดยการกด SW2ด้านสูงของ MOSFET จะเปลี่ยนสถานะจากสูงไปต่ำและตัวแปลงระดับลอจิกจะทำงานเป็นตัวแปลงระดับลอจิกแรงดันสูงไปเป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำ

วงจรถูกสร้างขึ้นในเขียงหั่นขนมและทดสอบ

ภาพด้านบนแสดงสถานะลอจิกทั้งสองด้านของ MOSFET ทั้งสองอยู่ในสถานะ Logic 1

สามารถดูวิดีโอการทำงานแบบเต็มได้ในวิดีโอด้านล่าง

ข้อ จำกัด ของตัวแปลงระดับลอจิก

วงจรมีข้อ จำกัด บางประการอย่างแน่นอน ข้อ จำกัด ขึ้นอยู่กับการเลือก MOSFET เป็นอย่างมาก แรงดันไฟฟ้าและท่อระบายน้ำสูงสุดในปัจจุบันสามารถนำมาใช้ในวงจรนี้จะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของ MOSFET นอกจากนี้แรงดันลอจิกขั้นต่ำคือ 1.8V แรงดันลอจิกน้อยกว่า 1.8V จะทำงานไม่ถูกต้องเนื่องจากข้อ จำกัด Vgs ของ MOSFET สำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 1.8V สามารถใช้ตัวแปลงระดับลอจิกเฉพาะได้

ความสำคัญและการประยุกต์ใช้

ตามที่กล่าวไว้ในส่วนเบื้องต้นระดับแรงดันไฟฟ้าที่เข้ากันไม่ได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลเป็นปัญหาสำหรับการเชื่อมต่อและการส่งข้อมูล ดังนั้นจึงต้องใช้ตัวแปลงระดับหรือตัวเปลี่ยนระดับเพื่อเอาชนะข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับระดับแรงดันไฟฟ้าในวงจร

เนื่องจากมีวงจรระดับลอจิกที่หลากหลายในตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้าและสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันตัวเปลี่ยนระดับลอจิกจึงมีกรณีการใช้งานที่เหลือเชื่อ อุปกรณ์ต่อพ่วงและอุปกรณ์รุ่นเก่าจำนวนมากซึ่งทำงานโดยใช้I2C, UART หรือตัวแปลงสัญญาณเสียงต้องการตัวแปลงระดับเพื่อการสื่อสารกับไมโครคอนโทรลเลอร์

ICs ตัวแปลงระดับลอจิกยอดนิยม

มีผู้ผลิตจำนวนมากนำเสนอโซลูชันแบบบูรณาการสำหรับการแปลงระดับตรรกะ หนึ่งในความนิยมไอซีMAX232เป็นหนึ่งใน IC ตัวแปลงระดับลอจิกที่ใช้กันทั่วไปซึ่งแปลงแรงดันลอจิกของไมโครคอนโทรลเลอร์ 5V เป็น 12V พอร์ต RS232 ใช้ในการสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์กับไมโครคอนโทรลเลอร์และต้องใช้ +/- 12V เราได้ใช้ MAX232 กับ PIC และไมโครคอนโทรลเลอร์อื่น ๆ ก่อนหน้านี้เพื่อเชื่อมต่อไมโครคอนโทรลเลอร์กับคอมพิวเตอร์แล้ว

นอกจากนี้ยังมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับการแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำมากความเร็วในการแปลงพื้นที่ค่าใช้จ่าย ฯลฯ

SN74AXยังเป็นชุดยอดนิยมของสองทิศทางแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าจากTexas Instruments มี IC จำนวนมากในส่วนนี้ซึ่งมีการเปลี่ยนบัสอุปทานแบบบิตเดียวเป็น 4 บิตพร้อมกับคุณสมบัติเพิ่มเติม

นิยมสองทิศทางระดับตรรกะอีกแปลง IC เป็นMAX3394EจากMaxim Integrated ใช้โทโพโลยีการแปลงเดียวกันโดยใช้ MOSFET แผนภาพพินสามารถมองเห็นได้ในภาพด้านล่าง ตัวแปลงรองรับพินเปิดใช้งานแยกต่างหากที่สามารถควบคุมได้โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งเป็นคุณสมบัติเพิ่มเติม

โครงสร้างภายในด้านบนแสดงโทโพโลยี MOSFETเดียวกันแต่มีการกำหนดค่า P-channel มีคุณสมบัติพิเศษเพิ่มเติมมากมายเช่นการป้องกัน ESD 15kV บนสาย I / O และ VCC แผนผังทั่วไปสามารถเห็นได้ในภาพด้านล่าง

แผนผังข้างต้นแสดงวงจรที่แปลงระดับตรรกะ 1.8V เป็นระดับลอจิก 3.3V และในทางกลับกัน ตัวควบคุมระบบที่สามารถเป็นหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ใดก็ได้ก็กำลังควบคุมพิน EN

นี่คือทั้งหมดที่เกี่ยวกับวงจรการแปลงระดับลอจิกสองทิศทางและการทำงาน