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In der ENIAC-Ära waren Computer eher analoger Natur und verwendeten nur sehr wenige digitale ICs. Heutzutage arbeitet ein durchschnittlicher Joes Computer mit mehreren Spannungspegeln. Personen, die das SMPS einer CPU gesehen haben, hätten bemerkt, dass Ihr Computer für den Betrieb ± 12 V, + 5 V und + 3,3 V benötigt. Diese Spannungspegel sind für einen Computer sehr wichtig. Eine bestimmte Spannung bestimmt den Zustand des Signals (hoch oder niedrig). Dieser hohe Zustand wird vom Computer als binär 1 und der niedrige Zustand als binär 0 akzeptiert. Abhängig von der Bedingung 0 und 1 erzeugt der Computer Daten, Codes und Anweisungen, um die erforderliche Ausgabe bereitzustellen.

Moderne Logikspannungspegel variieren stark von 1,8 V bis 5 V. Die Standardlogikspannungen sind 5 V, 3,3 V, 1,8 V usw. Wie kommuniziert ein System oder eine Steuerung mit 5 V Logikpegel (Beispiel Arduino) mit einem anderen System, das mit 3,3 V (Beispiel ESP8266) oder einer anderen Spannung arbeitet? Niveau? Dieses Szenario tritt häufig in vielen Designs auf, in denen mehrere Mikrocontroller oder Sensoren verwendet werden. Die Lösung besteht darin, einen Logic Level Converter oder Logic Level Shifter zu verwenden. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über Logikpegelwandler und bauen eine einfache bidirektionale Logikpegelwandlerschaltung mit MOSFET auf, die für Ihre Schaltungsentwürfe nützlich ist.

High-Level- und Low-Level-Eingangsspannung

Von der Seite des Mikroprozessors oder des Mikrocontrollers ist der Wert des logischen Spannungspegels jedoch nicht fest; es hat eine gewisse Toleranz. Beispielsweise beträgt die akzeptierte Logik hoch (logisch 1) für Mikrocontroller mit 5 V Logikpegel mindestens 2,0 V (minimale Eingangsspannung mit hohem Pegel) bis maximal 5,1 V (maximale Eingangsspannung mit hohem Pegel). In ähnlicher Weise liegt der akzeptierte Spannungswert für logisch niedrig (logisch 0) zwischen 0 V (minimale niedrige Eingangsspannung) und maximal 8 V (maximale niedrige Eingangsspannung).

Das obige Beispiel gilt für 5-V-Mikrocontroller mit Logikpegel, es sind jedoch auch Mikrocontroller mit 3,3 V und 1,8 V Logikpegel verfügbar. Bei solchen Mikrocontrollern variiert der Spannungsbereich des Logikpegels. Sie können die relevanten Informationen aus dem Datenblatt des jeweiligen Controller-ICs abrufen. Bei Verwendung eines Spannungspegelwandlers ist darauf zu achten, dass der Hochspannungs- und der Niederspannungswert innerhalb der Grenzen dieser Parameter liegen.

Bidirektionaler Logikpegelwandler

Je nach Anwendung und technischer Konstruktion stehen zwei Arten von Niveauschaltern zur Verfügung: der unidirektionale Logikpegelwandler und der bidirektionale Logikpegelwandler. In unidirektionalen Pegelwandlern sind die Eingangspins für einen Spannungsbereich und die Ausgangspins für den anderen Spannungsbereich reserviert. Dies ist jedoch nicht der Fall für bidirektionale Pegelwandler, die Logiksignale in beide Richtungen konvertieren können. Bei den bidirektionalen Pegelwandlern hat jeder Spannungsbereich nicht nur Eingangspins, sondern auch den Ausgangspin. Wenn Sie beispielsweise 5,5 V für die Eingangsseite bereitstellen, wird diese auf der Ausgangsseite in 3,3 V umgewandelt. Wenn Sie auf der Ausgangsseite 3,3 V bereitstellen, wird sie auf der Eingangsseite in 5 V umgewandelt.

In diesem Tutorial erstellen wir einen einfachen bidirektionalen Pegelwandler und testen ihn auf High-Low-Konvertierung und Low-High-Konvertierung.

Einfacher bidirektionaler Logikpegelwandler

Eine einfache bidirektionale Logikwandlerschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Schaltung verwendet einen n-Kanal-MOSFET, um den Niederspannungslogikpegel in einen Hochspannungslogikpegel umzuwandeln. Ein einfacher Logikpegelwandler kann auch mit ohmschen Spannungsteilern gebaut werden, führt jedoch zu Spannungsverlusten. MOSFET- oder Transistorbasierte Logikpegelwandler sind professionell, zuverlässig und sicherer zu integrieren.

Die Schaltung verwendet außerdem zwei zusätzliche Komponenten, R1 und R2. Das sind Pull-up-Widerstände. Aufgrund der geringsten Teilezahl ist es auch eine kostengünstige Lösung. Abhängig von der obigen Schaltung wird ein einfacher bidirektionaler Logikwandler von 3,3 V zu 5 V konstruiert.

5V bis 3,3V Pegelwandler mit MOSFET

Die 5 V auf 3,3 V bidirektionaler Konverter Logikpegel - Schaltung kann in dem Bild unten zu sehen -

Wie Sie sehen, müssen wir die Widerstände R1 und R2 mit einer konstanten Spannung von 5 V und 3,3 V versorgen. Die Pins Low_side_Logic_Input und High_Side_Logic_Input können austauschbar als Input- und Output-Pins verwendet werden.

Die in der obigen Schaltung verwendeten Komponenten sind

R1 - 4,7 k

R2 - 4,7 k

Q1 - BS170 (N-Kanal-MOSFET).

Beide Widerstände sind 1% tolerant. Widerstände mit 5% Toleranz funktionieren ebenfalls. Die Pinbelegung des BS170-MOSFET ist in der folgenden Abbildung in der Reihenfolge Drain, Gate und Source zu sehen.

Die Schaltungskonstruktion besteht aus zwei Pull-up-Widerständen von jeweils 4,7 k. Drain und der Source-Pin des MOSFET werden auf den gewünschten Spannungspegel (in diesem Fall 5 V und 3,3 V) für die Logikumwandlung von niedrig nach hoch oder von hoch nach niedrig gezogen. Sie können für R1 und R2 auch einen beliebigen Wert zwischen 1k und 10k verwenden, da diese nur als Pull-up-Widerstände fungieren.

Für den perfekten Arbeitszustand müssen beim Aufbau der Schaltung zwei Bedingungen erfüllt sein. Die erste Bedingung ist, dass die logische Spannung mit niedrigem Pegel (in diesem Fall 3,3 V) mit der Quelle des MOSFET verbunden werden muss und die logische Spannung mit hohem Pegel (in diesem Fall 5 V) mit dem Drain-Pin des MOSFET verbunden werden muss. Die zweite Bedingung ist, dass das Gate des MOSFET an die Niederspannungsversorgung (in diesem Fall 3,3 V) angeschlossen werden muss.

Simulation eines bidirektionalen Logikpegelwandlers

Die vollständige Funktionsweise der Logikpegelschaltschaltung kann unter Verwendung von Simulationsergebnissen verstanden werden. Wie Sie im folgenden GIF-Bild sehen können, wird während der Logikkonvertierung von hohem zu niedrigem Pegel der Logikeingangspin zwischen 5 V und 0 V (Masse) verschoben und der Logikausgang als 3,3 V und 0 V erhalten.

In ähnlicher Weise wird während der Konvertierung von niedrigem zu hohem Pegel der Logikeingang zwischen 3,3 V und 0 V in einen Logikeingang von 5 V und 0 V umgewandelt, wie im folgenden GIF-Bild gezeigt.

Logic Level Converter Circuit funktioniert

Nachdem diese beiden Bedingungen erfüllt sind, arbeitet die Schaltung in drei Zuständen. Die Zustände werden unten beschrieben.

1. Wenn sich die niedrige Seite im logischen 1 oder hohen Zustand (3,3 V) befindet.
2. Wenn sich die niedrige Seite im logischen 0- oder niedrigen Zustand (0 V) befindet.
3. Wenn die High-Seite den Zustand von 1 auf 0 oder von High auf Low (5 V auf 0 V) ​​ändert

Wenn die niedrige Seite hoch ist, dh die Quellenspannung des MOSFET 3,3 V beträgt, leitet der MOSFET nicht, da der Vgs-Schwellenwert des MOSFET nicht erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt beträgt das Gate des MOSFET 3,3 V und die Source des MOSFET beträgt ebenfalls 3,3 V. Daher ist Vgs 0V. Der MOSFET ist ausgeschaltet. Logik 1 oder High-Zustand des Low-Side-Eingangs wird auf der Drain-Seite des MOSFET als 5-V-Ausgang über den Pullup-Widerstand R2 reflektiert.

In dieser Situation beginnt der MOSFET zu leiten, wenn die niedrige Seite des MOSFET seinen Zustand von hoch nach niedrig ändert. Die Quelle ist in logischer 0, daher wurde auch die hohe Seite 0.

Diese beiden obigen Bedingungen wandeln den logischen Niederspannungszustand erfolgreich in einen logischen Hochspannungszustand um.

Ein anderer Arbeitszustand ist, wenn die hohe Seite des MOSFET ihren Zustand von hoch nach niedrig ändert. Es ist die Zeit, in der die Drain-Substratdiode zu leiten beginnt. Die niedrige Seite des MOSFET wird auf einen niedrigen Spannungspegel heruntergezogen, bis die Vgs den Schwellenwert überschreiten. Die Busleitung sowohl des Niederspannungs- als auch des Hochspannungsabschnitts wurde bei gleichem Spannungspegel niedrig.

Schaltgeschwindigkeit des Wandlers

Ein weiterer wichtiger Parameter, der beim Entwurf eines Logikpegelwandlers berücksichtigt werden muss, ist die Übergangsgeschwindigkeit. Da die meisten Logikkonverter zwischen Kommunikationsbussen wie USART, I2C usw. verwendet werden, ist es wichtig, dass der Logikkonverter schnell genug schaltet (Übergangsgeschwindigkeit), um mit der Baudrate der Kommunikationsleitungen übereinzustimmen.

Die Übergangsgeschwindigkeit entspricht der Schaltgeschwindigkeit des MOSFET. Daher ist in unserem Fall gemäß dem BS170-Datenblatt die Einschaltzeit des MOSFET und die Ausschaltzeit des MOSFET unten angegeben. Daher ist es wichtig , den richtigen MOSFET für Ihr Logikpegelwandler-Design auszuwählen.

Unser MOSFET hier benötigt also 10 ns zum Ein- und 10 ns zum Ausschalten, was bedeutet, dass er 10 000 000 Mal in einer Sekunde ein- und ausgeschaltet werden kann. Angenommen, unsere Kommunikationsleitung arbeitet mit einer Geschwindigkeit von (Baudrate) 115200 Bit pro Sekunde, bedeutet dies, dass sie nur 1.15.200 in einer Sekunde ein- und ausschaltet. Daher können wir unser Gerät auch sehr gut für die Kommunikation mit hoher Baudrate verwenden.

Testen Ihres Logikkonverters

Die folgenden Komponenten und Werkzeuge sind erforderlich, um die Schaltung zu testen:

1. Stromversorgung mit zwei verschiedenen Spannungsausgängen.
2. Zwei Multimeter.
3. Zwei Tastschalter.
4. Nur wenige Kabel für den Anschluss.

Das Schema wird modifiziert, um die Schaltung zu testen.

In dem obigen Schema werden zwei zusätzliche taktile Schalter eingeführt. Außerdem ist ein Multimeter angeschlossen, um den logischen Übergang zu überprüfen. Durch Drücken von SW1 ändert die niedrige Seite des MOSFET ihren Zustand von hoch nach niedrig und der Logikpegelwandler arbeitet als Niederspannungs- zu Hochspannungslogikpegelwandler.

Andererseits ändert durch Drücken von SW2 die hohe Seite des MOSFET ihren Zustand von hoch nach niedrig und der Logikpegelwandler arbeitet als Hochspannungs-Niederspannungs-Logikpegelwandler.

Die Schaltung ist in einem Steckbrett aufgebaut und getestet.

Das obige Bild zeigt den logischen Zustand auf beiden Seiten des MOSFET. Beide befinden sich im Status von Logik 1.

Das vollständige Arbeitsvideo ist im folgenden Video zu sehen.

Einschränkungen des Logic Level Converter

Die Schaltung hat sicherlich einige Einschränkungen. Die Einschränkungen hängen stark von der Auswahl des MOSFET ab. Die maximale Spannung und der maximale Drainstrom, die in dieser Schaltung verwendet werden können, hängen von der Spezifikation des MOSFET ab. Die minimale logische Spannung beträgt ebenfalls 1,8 V. Eine logische Spannung von weniger als 1,8 V funktioniert aufgrund der Vgs-Begrenzung des MOSFET nicht richtig. Für eine niedrigere Spannung als 1,8 V können dedizierte Logikpegelwandler verwendet werden.

Bedeutung und Anwendungen

Wie im einleitenden Teil erläutert, ist ein inkompatibler Spannungspegel in der digitalen Elektronik ein Problem für die Schnittstelle und Datenübertragung. Daher ist ein Pegelwandler oder Pegelumsetzer erforderlich, um die mit dem Spannungspegel verbundenen Fehler in der Schaltung zu überwinden.

Aufgrund der Verfügbarkeit von Logikpegelschaltungen mit großer Reichweite auf dem Elektronikmarkt und auch für die verschiedenen Mikrocontroller mit Spannungspegel hat der Logikpegelschieber einen unglaublichen Anwendungsfall. Einige Peripheriegeräte und Legacy-Geräte, die auf I2C-, UART- oder Audio-Codec basieren, benötigen Pegelwandler für Kommunikationszwecke mit einem Mikrocontroller.

Beliebte Logic Level Converter ICs

Es gibt viele Hersteller, die integrierte Lösungen für die Konvertierung von Logikpegeln anbieten. Einer der beliebtesten ICs ist MAX232. Es ist einer der gebräuchlichsten Logikpegelwandler-ICs, der die Logikspannung des Mikrocontrollers von 5 V in 12 V umwandelt. Der RS232-Anschluss wird für die Kommunikation zwischen Computern mit einem Mikrocontroller verwendet und benötigt +/- 12 V. Wir haben MAX232 bereits früher mit PIC und wenigen anderen Mikrocontrollern verwendet, um einen Mikrocontroller mit einem Computer zu verbinden.

Es gibt auch unterschiedliche Anforderungen, abhängig von der Umwandlung bei sehr niedrigem Spannungspegel, der Umwandlungsgeschwindigkeit, dem Platzbedarf, den Kosten usw.

SN74AX ist auch eine beliebte Serie von bidirektionalen Spannungspegelwandlern von Texas Instruments. In diesem Segment gibt es viele ICs, die einen Übergang von einem Bit zu einem 4-Bit-Versorgungsbus sowie zusätzliche Funktionen bieten.

Ein weiterer beliebter bidirektionaler Logikpegelwandler-IC ist MAX3394E von Maxim Integrated. Es verwendet dieselbe Konvertierungstopologie mit MOSFET. Das Pin-Diagramm ist im folgenden Bild zu sehen. Der Konverter unterstützt einen separaten Aktivierungsstift, der mithilfe von Mikrocontrollern gesteuert werden kann. Dies ist eine zusätzliche Funktion.

Die obige interne Konstruktion zeigt dieselbe MOSFET-Topologie, jedoch mit P-Kanal-Konfiguration. Es verfügt über viele zusätzliche Funktionen wie einen 15-kV- ESD-Schutz für E / A- und VCC-Leitungen. Das typische Schema ist im folgenden Bild zu sehen.

Das obige Schema zeigt eine Schaltung, die den 1,8-V-Logikpegel in einen 3,3-V-Logikpegel umwandelt und umgekehrt. Der Systemcontroller, der eine beliebige Mikrocontrollereinheit sein kann, steuert auch den EN-Pin.

Hier dreht sich alles um die bidirektionale Logikpegelumwandlungsschaltung und das Arbeiten.