Conceptos básicos del desfasador de nivel lógico

Visión general

Los últimos diseños de dispositivos digitales son cada vez más pequeños, rápidos y eficientes. La lógica principal de 5 V se une a estándares de voltaje cada vez más bajos, como 3.3 V, 2.5 V, 1.8 V e inferiores, lo que provoca la necesidad de una metodología que permita que los sistemas no coincidentes se comuniquen de manera confiable y eficiente. Los diseñadores deben asegurarse de que se pueda obtener una lógica 1 o lógica 0 de forma predecible en estas plataformas.

La transmisión/el aislamiento entre voltajes lógicos binarios o de dos etapas promueve un comportamiento predecible del circuito. Los diseñadores pueden pensar que una señal de 3.3 V en un pin de 5 V "debería funcionar", pero ese no es siempre el caso en todas las condiciones. Por el contrario, 5 V en un pin tolerante de 3.3 V y 5 V ciertamente funciona en la mayoría de los casos, pero este método es más caro debido a componentes adicionales y "quema" el exceso de voltaje en algunos casos.

¿Existe alguna alternativa?

Los dispositivos de transmisión activa/desfasador de nivel resuelven problemas comunes de transmisión e incluso pueden proporcionar funciones útiles adicionales como inversión, salida en contrafase, triestado o funcionalidad diferencial. Pero ¿qué tal algo menos complejo que permita niveles de voltaje lógico más amplios y comunicación bidireccional? Un MOSFET discreto y compacto puede realizar la transmisión a alta frecuencia y eficiencia. El desfasador de nivel para comunicaciones como I²C y la conexión directa pin a pin de entrada y salida de uso general se logra utilizando estos semiconductores económicos y algunos dispositivos pasivos adicionales. Los MOSFET elegidos correctamente permiten voltajes lógicos más altos, como 12 V o 18 V, que también pueden usarse para monitorear circuitos automotrices como ejemplo.

Nota: I²C en modo Hs (alta velocidad) puede requerir componentes más refinados, como la transmisión bidireccional PCA9306 de NXP.

Ejemplo: BS170 (transistor de efecto de campo de modo de mejora de canal N)

El BS170 está diseñado para minimizar la resistencia en estado encendido mientras proporciona un rendimiento de conmutación rápido y confiable adecuado para aplicaciones de conmutación de bajo voltaje y baja corriente. La Figura 1 muestra las conexiones necesarias para realizar la comunicación básica o el desfasador de nivel lógico de entrada y salida de uso general.

Figura 1: Circuito MOSFET básico de un solo bus y de transmisión de nivel.

Los niveles lógicos altos en cada lado del MOSFET se logran mediante resistencias de flexión a sus respectivos suministros que proporcionan conversión de señales I²C de modo rápido (400 kHz) u otras interfaces digitales de velocidad similar. La compuerta del MOSFET se mantiene en el nivel de suministro de bajo voltaje. Cuando ningún dispositivo tira la línea de bus hacia abajo, la línea de bus en la fuente del MOSFET es elevada por las resistencias de flexión de bajo voltaje. El voltaje de la fuente/compuerta MOSFET (VGS) está por debajo del umbral y el MOSFET no está realizando la conducción. Esto permite que la línea de bus en el drenaje del MOSFET se eleve por la resistencia de flexión de alto voltaje. Las líneas de bus a cada lado del MOSFET se mantienen ALTAS, pero a diferentes niveles de voltaje. Ver Figura 2.

Figura 2: Transmisión lógica de ALTO voltaje.

Si el dispositivo de bajo voltaje baja la línea de bus en la fuente del MOSFET y la compuerta permanece en el suministro de bajo voltaje, VGS se eleva por encima del umbral y el MOSFET comienza a conducir. La línea de bus en el drenaje del MOSFET ahora también está abajo. Consulte la Figura 3.

Figura 3: Transmisión lógica de BAJO voltaje iniciada por un dispositivo de bajo voltaje.

Si el dispositivo de alto voltaje tira hacia abajo de la línea de bus en el drenaje del MOSFET, el diodo de sustrato del MOSFET permite que la fuente también baje parcialmente debido a una pequeña cantidad de voltaje que cae a través del diodo. Ver Figura 4.

Figura 4: Transmisión casi lógica de BAJO voltaje iniciada por un dispositivo de alto voltaje.

Cuando la fuente del MOSFET baja parcialmente, el VGS se eleva por encima del umbral y el MOSFET comienza a conducir de manera efectiva sin pasar por el diodo del sustrato. Ver Figura 5.

Figura 5: Transmisión lógica completa de BAJO voltaje iniciada por un dispositivo de alto voltaje.

Los tres estados muestran niveles lógicos transferidos en ambas direcciones del sistema de bus, independientemente de la sección de conducción. Es posible realizar muchas combinaciones de suministros de alto y bajo voltaje en función de las capacidades del MOSFET. Ya sea que el conflicto de nivel lógico involucre una entrada y salida de uso general de punto a punto, una salida de sensor o comunicación multilínea bidireccional, los desfasadores de nivel del MOSFET son herramientas útiles. La Figura 5 muestra la implementación de un circuito de comunicación bidireccional de dos líneas transmitido con dos MOSFET.

Figura 6: Circuito de comunicación de datos transmitidos bidireccional de dos líneas.

Aislamiento

Para evitar niveles lógicos aleatorios en caso de que el dispositivo de alto voltaje se apague o se produzca una pérdida de energía en el suministro de alto voltaje, se pueden implementar MOSFET adicionales de "drenaje a drenaje" para aislar las líneas de bus lógico de alto voltaje.

Figura 7: Líneas de bus aisladas en un circuito de comunicación de datos transmitidos.

Placa de desarrollo

Para obtener más información sobre la transmisión de nivel lógico, varios fabricantes producen placas de desarrollo pobladas con MOSFET o dispositivos de transmisión lógica junto con los dispositivos periféricos pasivos necesarios para permitir una conexión y experimentación rápidas.

Resumen

Un MOSFET y una resistencia de flexión correctamente elegidos son clave para el éxito de este método simple pero efectivo de transmisión lógica. Las hojas de datos de los dispositivos típicos contienen la información necesaria para la experimentación. Las resistencias de flexión para BS170 en el rango de 4.7 Kohm a 10 Kohm pueden funcionar bien en la mayoría de los casos. Los CI convertidores de nivel lógico dedicados también pueden proporcionar características adicionales, como protección de descarga electrostática de 15 kV en E/S y entradas de voltaje de suministro.