wersja mobilna
Online: 575 Poniedziałek, 2016.12.05

Technika

Translatory napięć poziomów logicznych

poniedziałek, 13 czerwca 2011 10:56

Wartości wejściowych i wyjściowych napięć poziomów logicznych w układach cyfrowych zależą od technologii, w jakiej zostały one wyprodukowane oraz od wartości napięcia zasilania (rys. 1). By w obrębie jednego urządzenia mogły ze sobą współpracować układy cyfrowe o różnych napięciach poziomów logicznych, muszą być spełnione określone warunki. Na przykład wyjściowe napięcie poziomu wysokiego układu sterującego powinno być równe lub wyższe od wejściowego napięcia poziomu wysokiego w odbiorniku. Z kolei wyjściowe napięcie poziomu niskiego układu sterującego powinno być równe lub niższe niż wejściowe napięcie poziomu niskiego odbiornika. Napięcia wyjściowe modułu sterującego nie powinny również przekraczać zakresu dopuszczalnych napięć wejściowych odbiornika.

Spis treści » Tranzystory napięć
» Translatory z kluczami FET
» Dwukierunkowy translator FET
» Tranzystowy z otwartym drenem
» Urządzenia z tolerancją na przepięcia
» Przykład 1 - translacja posiomów napięć w magistrali I2C
» Przykład 2 - translator ADG3123
» Przykład 3 -translator ADG3304
» Pokaż wszystko

Jeżeli powyższych warunków nie uda się spełnić, należy liczyć się z różnymi problemami, na przykład gdy w danym urządzeniu układ cyfrowy o niższym poziomie napięć ma sterować układem zasilanym wyższym napięciem.

Jeżeli różnica napięć poziomów logicznych obu układów będzie zbyt duża, takie połączenie może nie funkcjonować prawidłowo. By takim sytuacjom zapobiegać, wykorzystuje się różne sposoby dopasowania niekompatybilnych napięć. W artykule zaprezentujemy najpopularniejsze rozwiązania oraz przykłady ich wdrożenia w konkretnych aplikacjach.

Translatory napięć

Jedną z możliwości jest zastosowanie dodatkowego układu pośredniczącego, tzw. translatora napięć. Przykładem są translatory zasilane dwoma napięciami, które umożliwiają jednokierunkową lub dwukierunkową konwersję napięć poziomów logicznych. Układ tego typu w wersji z jednokierunkową translacją przedstawiono na rysunku 2. Napięcia poziomów logicznych odnoszone do napięcia UCCA są w nim podnoszone do napięć poziomów logicznych zależnych od napięcia UCCB.

Rys. 1. Wartości napięć poziomów logicznych w układach cyfrowych w różnych technologiach

Rys. 2. Translator z jednokierunkową konwersją poziomów napięć

Działanie translatora jest następujące: jeżeli na wejściu pojawia się napięcie odpowiadające stanowi wysokiemu, tranzystor T9 załącza się i napięcie wyjściowe wzrasta do UCCB przez tranzystor T10. Jeżeli z kolei na wejściu występuje stan niski, przewodzą tranzystory T6, T7 oraz T8, a poziom napięcia na wyjściu obniża się przez tranzystor T11. Zaletą tej konfiguracji jest to, że nie występuje stała droga prądu między UCCA lub UCCB a masą, dzięki czemu układ ten charakteryzuje niski pobór prądu spoczynkowego.

Do realizacji translatora dwukierunkowego wymagane jest stworzenie ścieżki powrotnej od strony układu zasilanego napięciem UCCB do układu zasilanego napięciem UCCA. Na rysunku 3 przedstawiono przykład realizacji takiego translatora. Kierunkiem translacji można w nim sterować za pośrednictwem sygnału kontrolnego.

Translatory z kluczami FET

Jako translator napięć poziomów logicznych wykorzystać można również klucz w postaci tranzystora FET. Wynika to z charakterystyki komponentów tego typu, której przykład dla tranzystora polowego o napięciu progowym o wartości około 1V przestawiono na rysunku 4. Z wykresu wynika, że napięcie wyjściowe tranzystora zostaje ograniczone do wartości odpowiadającej różnicy napięcia bramki i napięcia progowego.

Stąd by uzyskać napięcia przyjęte za wartość odniesienia w popularnych rodzinach układów cyfrowych, np. 3,3V, 2,5V, 1,8V 1,5V raz 1,2V, napięcie bramki wynosić powinno odpowiednio 4,3V, 3,5V, 2,8V, 2,5V oraz 2,2V. Ta właściwość umożliwia wykorzystanie tranzystorów w translacji napięć "w dół".

Dwukierunkowy translator FET

W opisany sposób zrealizować można jednak wyłącznie translację jednokierunkową. By zbudować translator dwukierunkowy, należy zastosować układ w konfiguracji jak na rysunku 5, w którym oprócz tranzystora polowego wykorzystano dwa rezystory podciągające. Bramka tego tranzystora jest zazwyczaj połączona ze źródłem niższego napięcia spośród UCCA i UCCB.

Rys. 3. Translator dwukierunkowy. Kierunkiem translacji można sterować za pośrednictwem sygnału kontrolnego

Rys. 4. Charakterystyka wyjściowa tranzystora FET. Zmieniając napięcie bramki, można uzyskać wartości napięć odpowiadające napięciom poziomów logicznych różnych układów cyfrowych

Zaletą tego rozwiązania jest to, że kierunek translacji napięć jest ustalany automatycznie i nie jest wymagany żaden dodatkowy sygnał sterujący. Pracę translatora z rysunku 5 można usprawnić, uzupełniając go o układ typu "one-shot" (rys. 6a), który omijając rezystor podciągający, załącza się, przyspieszając w ten sposób przejście ze stanu niskiego w stan wysoki.

Na rysunku 6b można zaobserwować znaczne skrócenie czasu narastania sygnału dzięki zastosowaniu takiego rozwiązania. Układ "one-shot" może się załączać, gdy napięcie wejściowe wzrasta powyżej pewnego napięcia progowego i wyłączać po pewnym czasie samoczynnie lub w reakcji na przekroczenie określonego progu napięcia wyjściowego.