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Na era ENIAC, os computadores eram mais analógicos por natureza e usavam muito poucos CIs digitais. Hoje, o computador de um Joe comum funciona com vários níveis de voltagem, as pessoas que viram o SMPS de uma CPU teriam notado que seu computador requer ± 12V, + 5V e + 3,3V para operar. Esses níveis de tensão são muito importantes para um computador; uma tensão específica determina o estado do sinal (alto ou baixo). Este estado alto é aceito pelo computador como binário 1 e o estado baixo como binário 0. Dependendo das condições 0 e 1, o computador produz dados, códigos e instruções para fornecer a saída necessária.

Os níveis de tensão da lógica moderna variam amplamente de 1,8 V a 5 V. As tensões lógicas padrão são 5 V, 3,3 V, 1,8 V, etc. Mas, como um sistema ou controlador trabalhando com nível lógico de 5 V (exemplo Arduino) se comunica com outro sistema que funciona com 3,3 V (exemplo ESP8266) ou qualquer outra tensão diferente nível? Este cenário geralmente ocorre em muitos projetos, onde há vários microcontroladores ou sensores são usados ​​e a solução aqui é usar um conversor de nível lógico ou deslocador de nível lógico. Neste artigo, aprenderemos mais sobre conversores de nível lógico e também construiremos um circuito conversor de nível lógico bidirecional simples usando MOSFET, que será útil para os projetos de seus circuitos.

Tensão de entrada de alto e baixo nível

No entanto, do lado do microprocessador ou do microcontrolador, o valor do nível de tensão lógica não é fixo; tem alguma tolerância com isso. Por exemplo, a Lógica Alta aceita (lógica 1) para microcontroladores de nível lógico de 5 V é no mínimo 2,0 V (tensão de entrada de nível alto mínimo) a um máximo de 5,1 V (tensão de entrada de nível alto máxima). Da mesma forma, para o nível lógico baixo (lógico 0), o valor de tensão aceito é de 0 V (tensão de entrada de nível baixo mínimo) até o máximo de 8 V (tensão de entrada de nível baixo máximo).

O exemplo acima é verdadeiro para microcontroladores de nível lógico de 5 V, mas microcontroladores de nível lógico de 3,3 V e 1,8 V também estão disponíveis. Nesse tipo de microcontroladores, a faixa de tensão do nível lógico irá variar. Você pode obter as informações relevantes na folha de dados desse IC controlador específico. Ao usar um conversor de nível de tensão, deve-se tomar cuidado para que o valor de alta tensão e o valor de baixa tensão estejam dentro do limite desses parâmetros.

Conversor de nível lógico bidirecional

Dependendo da aplicação e construção técnica, dois tipos de deslocadores de nível estão disponíveis, conversor de nível lógico unidirecional e conversor de nível lógico bidirecional. Em conversores de nível unidirecional, os pinos de entrada são dedicados para um domínio de tensão e os pinos de saída são dedicados para o outro domínio de tensão, mas este não é o caso para conversores de nível bidirecionais, ele pode converter sinais lógicos em ambas as direções. Para os conversores de nível bidirecional, cada domínio de tensão não só tem pinos de entrada, mas também tem o pino de saída. Por exemplo, se você fornecer 5,5 V no lado da entrada, ele irá convertê-lo em 3,3 V no lado da saída, da mesma forma se você fornecer 3,3 V no lado da saída, ele irá convertê-lo em 5 V no lado da entrada.

Neste tutorial, construiremos um conversor de nível bidirecional simples e o testaremos quanto à conversão de Alto para Baixo e de Baixo para Alto.

Conversor de nível lógico bidirecional simples

Um circuito conversor lógico bidirecional simples é mostrado na imagem abaixo.

O circuito usa um MOSFET de canal n para converter o nível lógico de baixa tensão em um nível lógico de alta tensão. Um conversor de nível lógico simples também pode ser construído usando divisores de tensão resistivos, mas irá introduzir perda de tensão. MOSFET ou conversores de nível lógico baseados em transistor são profissionais, confiáveis ​​e mais seguros de se integrar.

O circuito também usa dois componentes adicionais, R1 e R2. Esses são resistores pull-up. Devido ao menor número de peças, também é uma solução econômica. Dependendo do circuito acima, um conversor lógico bidirecional simples de 3,3 V a 5 V será construído.

Conversor de nível de 5 V para 3,3 V usando MOSFET

O circuito conversor de nível lógico bidirecional de 5 V para 3,3 V pode ser visto na imagem abaixo -

Como você pode ver, temos que fornecer uma tensão constante de 5 V e 3,3 V para os resistores R1 e R2. Os pinos Low_side_Logic_Input e High_Side_Logic_Input podem ser usados ​​alternadamente como pinos de entrada e saída.

Os componentes usados ​​no circuito acima são

R1 - 4,7 k

R2 - 4,7 k

Q1 - BS170 (MOSFET de canal N).

Ambos os resistores são 1% tolerantes. Resistores com tolerância de 5% também funcionarão. A pinagem do BS170 MOSFET pode ser vista na imagem abaixo que está na ordem Drain, Gate e Source.

A construção do circuito consiste em dois resistores pull up de 4,7k cada. O dreno e o pino da fonte do MOSFET são puxados até o nível de tensão desejado (neste caso 5 V e 3,3 V) para a conversão lógica de baixa para alta ou alta para baixa. Você também pode usar qualquer valor entre 1k a 10k para R1 e R2, pois eles atuam apenas como resistores pull up.

Para o perfeito estado de funcionamento, existem duas condições que precisam ser atendidas durante a construção do circuito. A primeira condição é que a tensão lógica de baixo nível (3,3 V neste caso) deve ser conectada à fonte do MOSFET e a tensão lógica de alto nível (5 V neste caso) deve ser conectada ao pino de drenagem do MOSFET. A segunda condição é que a porta do MOSFET precisa ser conectada à fonte de baixa tensão (3,3 V neste caso).

Simulação do conversor de nível lógico bidirecional

O funcionamento completo do circuito do deslocador de nível lógico pode ser compreendido usando os resultados da simulação. Como você pode ver na imagem GIF abaixo, durante a conversão lógica de nível alto para nível baixo, o pino de entrada lógica é deslocado entre 5 V e 0 V (terra) e a saída lógica é obtida como 3,3 V e 0 V.

Da mesma forma, durante a conversão de nível baixo para nível alto, a entrada lógica está entre 3,3 V e 0 V é convertida em saída lógica de 5 V e 0 V conforme mostrado na imagem GIF abaixo.

Circuito do conversor de nível lógico funcionando

Depois de cumprir essas duas condições, o circuito funciona em três estados. Os estados são descritos a seguir.

1. Quando o lado baixo está no estado lógico 1 ou alto (3,3 V).
2. Quando o lado inferior está no estado lógico 0 ou baixo (0V).
3. Quando o lado alto muda o estado de 1 para 0 ou alto para baixo (5V a 0V)

Quando o lado baixo é alto, isso significa que a tensão da fonte do MOSFET é 3,3 V, o MOSFET não conduz devido ao ponto de limiar de Vgs do MOSFET não ser alcançado. Neste ponto, a porta do MOSFET é 3.3V e a fonte do MOSFET também é 3.3V. Portanto, Vgs é 0V. O MOSFET está desligado. O estado lógico 1 ou alto da entrada do lado inferior reflete no lado do dreno do MOSFET como uma saída de 5 V através do resistor pullup R2.

Nesta situação, se o lado baixo do MOSFET mudar seu estado de alto para baixo, o MOSFET começa a conduzir. A fonte está na lógica 0, portanto, o lado alto também se tornou 0.

As duas condições acima convertem com sucesso o estado lógico de baixa tensão em um estado lógico de alta tensão.

Outro estado de funcionamento é quando o lado alto do MOSFET muda seu estado de alto para baixo. É o momento em que o diodo do substrato de drenagem começa a conduzir. O lado baixo do MOSFET é puxado para baixo para um nível de baixa tensão até que o Vgs cruze o ponto limite. A linha de barramento da seção de baixa e alta tensão tornou-se baixa no mesmo nível de tensão.

Velocidade de comutação do conversor

Outro parâmetro importante a considerar ao projetar um conversor de nível lógico é a velocidade de transição. Uma vez que a maioria dos conversores lógicos será usada entre barramentos de comunicação como USART, I2C etc., é importante que o conversor lógico alterne rápido o suficiente (velocidade de transição) para corresponder à taxa de transmissão das linhas de comunicação.

A velocidade de transição é igual à velocidade de chaveamento do MOSFET. Portanto, em nosso caso, de acordo com a folha de dados BS170, o tempo de ativação do MOSFET e o tempo de desativação do MOSFET são indicados abaixo. Portanto, é importante selecionar o MOSFET certo para o projeto do conversor de nível lógico.

Portanto, nosso MOSFET aqui requer 10nS para ligar e 10nS para desligar, o que significa que pode ligar e desligar 10.00.000 vezes em um segundo. Supondo que nossa linha de comunicação esteja operando a uma velocidade de (taxa de transmissão) 115200 bits por segundo, isso significa que ela desliga e desliga apenas 1,15.200 por segundo. Portanto, podemos muito bem usar nosso dispositivo para comunicação de alta taxa de transmissão.

Testando seu conversor lógico

Os seguintes componentes e ferramentas são necessários para testar o circuito -

1. Fonte de alimentação com duas saídas de tensão diferentes.
2. Dois multímetros.
3. Dois interruptores táteis.
4. Poucos fios para conexão.

O esquema é modificado para testar o circuito.

No esquema acima, dois interruptores táteis adicionais são introduzidos. Além disso, um multímetro é conectado para verificar a transição lógica. Ao pressionar SW1, o lado baixo do MOSFET muda seu estado de alto para baixo e o conversor de nível lógico está funcionando como um conversor de nível lógico de baixa tensão para alta tensão.

Por outro lado, ao pressionar SW2, o lado alto do MOSFET muda seu estado de alto para baixo e o conversor de nível lógico está funcionando como um conversor de nível lógico de alta tensão para baixa tensão.

O circuito é construído em uma placa de ensaio e testado.

A imagem acima está mostrando o estado lógico em ambos os lados do MOSFET. Ambos estão no estado Lógico 1.

O vídeo completo de trabalho pode ser visto no vídeo abaixo.

Limitações do conversor de nível lógico

O circuito certamente tem algumas limitações. As limitações são altamente dependentes da seleção do MOSFET. A tensão máxima e a corrente de drenagem que podem ser usadas neste circuito dependem das especificações do MOSFET. Além disso, a tensão lógica mínima é 1.8V. A tensão lógica inferior a 1,8 V não funcionará corretamente devido à limitação de Vgs do MOSFET. Para tensão inferior a 1,8 V, conversores de nível lógico dedicados podem ser usados.

Importância e Aplicações

Conforme discutido na parte introdutória, o nível de tensão incompatível na eletrônica digital é um problema para a interface e a transmissão de dados. Portanto, um conversor de nível ou deslocador de nível é necessário para superar os erros relacionados ao nível de tensão no circuito.

Devido à disponibilidade de circuitos de nível lógico de ampla faixa no mercado eletrônico e também para os diferentes microcontroladores de nível de tensão, o deslocador de nível lógico tem um caso de uso incrível. Vários periféricos e dispositivos legados que funcionam com base em I2C, UART ou codec de áudio, precisam de conversores de nível para fins de comunicação com um microcontrolador.

ICs de conversão de nível lógico populares

Existem muitos fabricantes que fornecem soluções integradas para conversão de nível lógico. Um dos IC populares é o MAX232. É um dos conversores de nível lógico mais comuns IC, que converte a tensão lógica do microcontrolador de 5V para 12V. A porta RS232 é usada para comunicação entre computadores com um microcontrolador e requer +/- 12V. Já usamos MAX232 com PIC e alguns outros microcontroladores antes para fazer a interface de um microcontrolador com o computador.

Existem diferentes requisitos, dependendo da conversão de nível de tensão muito baixa, velocidade de conversão, espaço, custo, etc.

SN74AX também é uma série popular de conversor de nível de tensão bidirecional da Texas Instruments. Existem muitos CIs neste segmento que oferecem uma transição de barramento de alimentação de um único bit para 4 bits junto com recursos adicionais.

Outro conversor de nível lógico bidirecional popular IC é o MAX3394E da Maxim Integrated. Ele usa a mesma topologia de conversão usando MOSFET. O diagrama de pinos pode ser visto na imagem abaixo. O conversor suporta pino de habilitação separado que pode ser controlado usando microcontroladores, que é um recurso adicional.

A construção interna acima está mostrando a mesma topologia MOSFET, mas com configuração de canal P. Ele tem muitos recursos extras adicionais, como proteção ESD de 15kV em linhas de E / S e VCC. O esquema típico pode ser visto na imagem abaixo.

O esquema acima mostra um circuito que está convertendo o nível lógico de 1,8 V para um nível lógico de 3,3 V e vice-versa. O controlador do sistema, que pode ser qualquer unidade de microcontrolador, também controla o pino EN.

Então, isso é tudo sobre circuito de conversão de nível lógico bidirecional e funcionamento.