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À l'époque de l'ENIAC, les ordinateurs étaient de nature plus analogique et utilisaient très peu de circuits intégrés numériques. Aujourd'hui, un ordinateur de Joe moyen fonctionne avec plusieurs niveaux de tension, les personnes qui avaient vu le SMPS d'un CPU auraient remarqué que votre ordinateur nécessite ± 12V, + 5V et + 3,3V pour fonctionner. Ces niveaux de tension sont très importants pour un ordinateur; une tension spécifique détermine l'état du signal (haut ou bas). Cet état haut est accepté par l'ordinateur comme binaire 1 et l'état bas comme binaire 0. En fonction des conditions 0 et 1, l'ordinateur produit des données, des codes et des instructions pour fournir la sortie requise.

Les niveaux de tension logiques modernes varient largement de 1,8V à 5V. Les tensions logiques standard sont 5 V, 3,3 V, 1,8 V, etc. niveau? Ce scénario se produit souvent dans de nombreuses conceptions, où plusieurs microcontrôleurs ou capteurs sont utilisés et la solution ici est d'utiliser un convertisseur de niveau logique ou un décaleur de niveau logique. Dans cet article, nous en apprendrons plus sur les convertisseurs de niveau logique et nous construirons également un simple circuit de convertisseur de niveau logique bidirectionnel utilisant MOSFET, ce qui sera utile pour la conception de vos circuits.

Tension d'entrée de haut niveau et de bas niveau

Cependant, du côté du microprocesseur ou du microcontrôleur, la valeur du niveau de tension logique n'est pas fixe; il a une certaine tolérance avec cela. Par exemple, la logique haute (logique 1) acceptée pour les microcontrôleurs de niveau logique 5V est de 2,0 V minimum (tension d'entrée de niveau haut minimum) à un maximum de 5,1 V (tension d'entrée de niveau haut maximum). De même, pour une logique basse (logique 0), la valeur de tension acceptée va de 0 V (tension d'entrée de niveau bas minimum) au maximum de 8 V (tension d'entrée de niveau bas maximum).

L'exemple ci-dessus est vrai pour les microcontrôleurs de niveau logique 5V, mais des microcontrôleurs de niveau logique 3,3V et 1,8V sont également disponibles. Dans ce type de microcontrôleurs, la plage de tension de niveau logique variera. Vous pouvez obtenir les informations pertinentes à partir de la fiche technique de ce contrôleur IC particulier. Lors de l'utilisation d'un convertisseur de niveau de tension, il faut veiller à ce que la valeur de haute tension et la valeur de basse tension soient dans la limite de ces paramètres.

Convertisseur de niveau logique bidirectionnel

Selon l'application et la construction technique, deux types de décaleurs de niveau sont disponibles, le convertisseur de niveau logique unidirectionnel et le convertisseur de niveau logique bidirectionnel. Dans les convertisseurs de niveau unidirectionnels, les broches d'entrée sont dédiées à un domaine de tension et les broches de sortie sont dédiées à l'autre domaine de tension, mais ce n'est pas le cas pour les convertisseurs de niveau bidirectionnels, ils peuvent convertir des signaux logiques dans les deux sens. Pour les convertisseurs de niveau bidirectionnels, chaque domaine de tension a non seulement des broches d'entrée, mais également la broche de sortie. Par exemple, si vous fournissez 5,5 V du côté de l'entrée, il le convertira en 3,3 V du côté de la sortie, de même si vous fournissez 3,3 V du côté de la sortie, il le convertira en 5 V du côté de l'entrée.

Dans ce didacticiel, nous allons créer un simple convertisseur de niveau bidirectionnel et le tester pour une conversion de haut en bas et de bas en haut.

Convertisseur de niveau logique bidirectionnel simple

Un simple circuit de convertisseur logique bidirectionnel est montré dans l'image ci-dessous.

Le circuit utilise un MOSFET à canal n pour convertir le niveau logique basse tension en un niveau logique haute tension. Un simple convertisseur de niveau logique peut également être construit en utilisant des diviseurs de tension résistifs, mais il introduira une perte de tension. Les convertisseurs de niveau logique à base de transistors ou MOSFET sont professionnels, fiables et plus sûrs à intégrer.

Le circuit utilise également deux composants supplémentaires, R1 et R2. Ce sont des résistances pull-up. En raison du plus petit nombre de pièces, c'est également une solution rentable. En fonction du circuit ci-dessus, un simple convertisseur logique bidirectionnel de 3,3 V à 5 V sera construit.

Convertisseur de niveau 5V à 3,3V utilisant MOSFET

Le circuit de convertisseur de niveau logique bidirectionnel de 5 V à 3,3 V peut être vu dans l'image ci-dessous -

Comme vous pouvez le voir, nous devons fournir une tension constante de 5V et 3,3V aux résistances R1 et R2. Les broches Low_side_Logic_Input et High_Side_Logic_Input peuvent être utilisées de manière interchangeable comme broches d'entrée et de sortie.

Les composants utilisés dans le circuit ci-dessus sont

R1 - 4,7k

R2 - 4,7k

Q1 - BS170 (MOSFET canal N).

Les deux résistances sont tolérantes à 1%. Les résistances avec une tolérance de 5% fonctionneront également. Les brochages du MOSFET BS170 peuvent être vus dans l'image ci-dessous qui est dans l'ordre Drain, Gate et Source.

La construction du circuit se compose de deux résistances de rappel de 4,7k chacune. Le drain et la broche source du MOSFET sont tirés jusqu'au niveau de tension souhaité (dans ce cas 5V et 3,3V) pour la conversion logique bas en haut ou haut en bas. Vous pouvez également utiliser n'importe quelle valeur comprise entre 1k et 10k pour R1 et R2 car ils agissent uniquement comme des résistances de tirage.

Pour un état de fonctionnement parfait, deux conditions doivent être remplies lors de la construction du circuit. La première condition est que la tension logique de bas niveau (3,3 V dans ce cas) doit être connectée à la source du MOSFET et la tension logique de niveau haut (5 V dans ce cas) doit être connectée à la broche de drain du MOSFET. La deuxième condition est que la grille du MOSFET doit être connectée à l'alimentation basse tension (3,3 V dans ce cas).

Simulation du convertisseur de niveau logique bidirectionnel

Le fonctionnement complet du circuit de décalage de niveau logique peut être compris en utilisant les résultats de simulation. Comme vous pouvez le voir dans l'image GIF ci-dessous, pendant la conversion logique de niveau haut en niveau bas, la broche d'entrée logique est décalée entre 5V et 0V (masse) et la sortie logique est obtenue à 3,3V et 0V.

De même, lors de la conversion de niveau bas en niveau élevé, l'entrée logique est entre 3,3 V et 0 V est convertie en sortie logique de 5 V et 0 V comme indiqué dans l'image GIF ci-dessous.

Fonctionnement du circuit du convertisseur de niveau logique

Après avoir rempli ces deux conditions, le circuit fonctionne dans trois états. Les états sont décrits ci-dessous.

1. Lorsque le côté bas est en logique 1 ou à l'état haut (3,3 V).
2. Lorsque le côté bas est en logique 0 ou à l'état bas (0V).
3. Lorsque le côté haut change l'état de 1 à 0 ou de haut en bas (5V à 0V)

Lorsque le côté bas est haut, cela signifie que la tension source du MOSFET est de 3,3 V, le MOSFET ne conduit pas car le point de seuil Vgs du MOSFET n'est pas atteint. À ce stade, la porte du MOSFET est de 3,3 V et la source du MOSFET est également de 3,3 V. Par conséquent, Vgs est 0V. Le MOSFET est éteint. La logique 1 ou l'état haut de l'entrée côté bas se reflète sur le côté drain du MOSFET comme une sortie 5V via la résistance pullup R2.

Dans cette situation, si le côté bas du MOSFET change son état de haut en bas, le MOSFET commence à conduire. La source est en logique 0, donc le côté haut est également devenu 0.

Ces deux conditions ci-dessus convertissent avec succès un état logique basse tension en un état logique haute tension.

Un autre état de fonctionnement est lorsque le côté haut du MOSFET change son état de haut en bas. C'est le moment où la diode du substrat de drain commence à conduire. Le côté bas du MOSFET est abaissé à un niveau de tension bas jusqu'à ce que les Vgs franchissent le point de seuil. La ligne de bus de la section basse et haute tension est devenue basse au même niveau de tension.

Vitesse de commutation du convertisseur

Un autre paramètre important à prendre en compte lors de la conception d'un convertisseur de niveau logique est la vitesse de transition. Étant donné que la plupart des convertisseurs logiques seront utilisés entre des bus de communication tels que USART, I2C, etc., il est important que le convertisseur logique commute suffisamment rapidement (vitesse de transition) pour correspondre à la vitesse de transmission des lignes de communication.

La vitesse de transition est la même que la vitesse de commutation du MOSFET. Par conséquent, dans notre cas, selon la fiche technique BS170, l'heure de mise sous tension du MOSFET et l'heure de désactivation du MOSFET sont indiquées ci-dessous. Par conséquent, il est important de sélectionner le bon MOSFET pour la conception de votre convertisseur de niveau logique.

Ainsi, notre MOSFET nécessite ici 10nS pour s'allumer et 10nS pour s'éteindre, ce qui signifie qu'il peut s'allumer et s'éteindre 10,00 000 fois en une seconde. En supposant que notre ligne de communication fonctionne à une vitesse de (débit en bauds) 115 200 bits par seconde, cela signifie qu'elle ne s'éteint et s'éteint que 1,15 200 en une seconde. Nous pouvons donc très bien utiliser notre appareil pour des communications à haut débit en bauds.

Tester votre convertisseur logique

Les composants et outils suivants sont nécessaires pour tester le circuit -

1. Alimentation avec deux sorties de tension différentes.
2. Deux multimètres.
3. Deux interrupteurs tactiles.
4. Quelques fils pour la connexion.

Le schéma est modifié pour tester le circuit.

Dans le schéma ci-dessus, deux commutateurs tactiles supplémentaires sont introduits. En outre, un multimètre est connecté pour vérifier la transition logique. En appuyant sur SW1, le côté bas du MOSFET change son état de haut en bas et le convertisseur de niveau logique fonctionne comme un convertisseur de niveau logique basse tension en haute tension.

D'autre part, en appuyant sur SW2, le côté haut du MOSFET change son état de haut en bas et le convertisseur de niveau logique fonctionne comme un convertisseur de niveau logique haute tension en basse tension.

Le circuit est construit dans une maquette et testé.

L'image ci-dessus montre l'état logique des deux côtés du MOSFET. Les deux sont à l'état Logic 1.

La vidéo de travail complète peut être vue dans la vidéo ci-dessous.

Limitations du convertisseur de niveau logique

Le circuit a certainement quelques limites. Les limitations dépendent fortement de la sélection du MOSFET. La tension maximale et le courant de drain pouvant être utilisés dans ce circuit dépendent des spécifications du MOSFET. De plus, la tension logique minimale est de 1,8 V. Une tension logique inférieure à 1,8 V ne fonctionnera pas correctement en raison de la limitation Vgs du MOSFET. Pour une tension inférieure à 1,8 V, des convertisseurs de niveau logique dédiés peuvent être utilisés.

Importance et applications

Comme discuté dans la partie introductive, un niveau de tension incompatible dans l'électronique numérique est un problème pour l'interfaçage et la transmission de données. Par conséquent, un convertisseur de niveau ou un décaleur de niveau est nécessaire pour surmonter les erreurs liées au niveau de tension dans les circuits.

En raison de la disponibilité de circuits de niveau logique à large gamme sur le marché de l'électronique et également pour les différents microcontrôleurs de niveau de tension, le décalage de niveau logique a un cas d'utilisation incroyable. Plusieurs périphériques et appareils hérités qui fonctionnent sur la base d' un codec I2C, UART ou audio, nécessitent des convertisseurs de niveau à des fins de communication avec un microcontrôleur.

CI de conversion de niveau logique populaires

De nombreux fabricants proposent des solutions intégrées pour la conversion de niveau logique. L'un des CI les plus populaires est le MAX232. C'est l'un des convertisseurs de niveau logique les plus courants IC qui convertit la tension logique du microcontrôleur 5V en 12V. Le port RS232 est utilisé pour communiquer entre les ordinateurs avec un microcontrôleur et nécessite +/- 12V. Nous avons déjà utilisé MAX232 avec PIC et quelques autres microcontrôleurs auparavant pour interfacer un microcontrôleur avec un ordinateur.

Il existe également différentes exigences en fonction de la conversion de niveau de tension très faible, de la vitesse de conversion, de l'espace, du coût, etc.

SN74AX est également une série populaire de convertisseur de niveau de tension bidirectionnel de Texas Instruments. Il existe de nombreux circuits intégrés dans ce segment qui offrent une transition de bus d'alimentation d'un bit à 4 bits avec des fonctionnalités supplémentaires.

Un autre circuit intégré de conversion de niveau logique bidirectionnel populaire est le MAX3394E de Maxim Integrated. Il utilise la même topologie de conversion en utilisant MOSFET. Le diagramme des broches peut être vu dans l'image ci-dessous. Le convertisseur prend en charge une broche d'activation distincte qui peut être contrôlée à l'aide de microcontrôleurs, ce qui est une fonctionnalité supplémentaire.

La construction interne ci-dessus montre la même topologie MOSFET mais avec une configuration de canal P. Il possède de nombreuses fonctionnalités supplémentaires telles que la protection ESD de 15 kV sur les lignes d'E / S et VCC. Le schéma typique peut être vu dans l'image ci-dessous.

Le schéma ci-dessus montre un circuit qui convertit le niveau logique 1,8 V en un niveau logique 3,3 V et vice-versa. Le contrôleur système qui peut être n'importe quelle unité de microcontrôleur contrôle également la broche EN.

Donc, tout est question de circuit de conversion de niveau logique bidirectionnel et de fonctionnement.