Mạch chuyển đổi mức logic hai chiều dùng mosfet :Trở lại thời ENIAC, máy tính có bản chất tương tự hơn và sử dụng rất ít IC kỹ thuật số. Ngày nay, một máy tính trung bình của Joe hoạt động với nhiều mức điện áp, những người đã từng xem SMPS của CPU sẽ nhận thấy rằng máy tính của bạn yêu cầu ± 12V, + 5V và + 3.3V để hoạt động. Các mức điện áp này rất quan trọng đối với máy tính; một điện áp cụ thể xác định trạng thái của tín hiệu (cao hay thấp). Trạng thái cao này được máy tính chấp nhận là nhị phân 1 và trạng thái thấp là nhị phân 0. Tùy thuộc vào điều kiện 0 và 1 mà máy tính tạo ra dữ liệu, mã và hướng dẫn để cung cấp đầu ra cần thiết.
Các mức điện áp logic hiện đại phần lớn thay đổi từ 1,8V đến 5V. Các điện áp logic tiêu chuẩn là 5V, 3.3V, 1.8V, v.v. Nhưng, làm thế nào để một hệ thống hoặc bộ điều khiển hoạt động với mức logic 5V (Ví dụ Arduino ) giao tiếp với một hệ thống khác hoạt động với 3.3V (Ví dụ ESP8266 ) hoặc bất kỳ điện áp nào khác cấp độ? Tình huống này thường xảy ra trong nhiều thiết kế, trong đó có nhiều bộ điều khiển vi mô hoặc cảm biến được sử dụng và giải pháp ở đây là sử dụng Bộ chuyển đổi mức logic hoặc Bộ chuyển mức logic . Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về Bộ chuyển đổi mức logic và chúng ta cũng sẽ xây dựng một mạch chuyển đổi mức logic hai chiều đơn giản bằng MOSFET điều này sẽ có ích cho các thiết kế mạch của bạn.
Điện áp đầu vào mức cao và mức thấp
Tuy nhiên, từ phía bộ vi xử lý hoặc bộ vi điều khiển, giá trị mức điện áp logic không cố định; nó có một số khoan dung với nó. Ví dụ: Mức logic cao được chấp nhận (mức logic 1) cho vi điều khiển mức logic 5V là tối thiểu 2.0V ( Điện áp đầu vào mức cao tối thiểu ) đến tối đa là 5,1V ( Điện áp đầu vào mức cao tối đa ). Tương tự, đối với mức logic thấp (mức logic 0), giá trị điện áp được chấp nhận là từ 0V ( Điện áp đầu vào mức thấp tối thiểu ) đến tối đa 8V ( Điện áp đầu vào mức thấp tối đa ).
Ví dụ trên đúng với các vi điều khiển mức logic 5V nhưng các vi điều khiển mức logic 3.3V và 1.8V cũng có sẵn. Trong loại vi điều khiển như vậy, dải điện áp mức logic sẽ khác nhau. Bạn có thể lấy thông tin liên quan từ biểu dữ liệu của vi mạch điều khiển cụ thể đó. Khi sử dụng bộ chuyển đổi mức điện áp, cần chú ý giá trị điện áp cao và giá trị điện áp thấp nằm trong giới hạn của các thông số này.
Bộ chuyển đổi mức logic hai chiều
Tùy thuộc vào ứng dụng và cấu trúc kỹ thuật, có sẵn hai loại bộ chuyển mức , Bộ chuyển đổi mức logic đơn chiều và Bộ chuyển đổi mức logic hai chiều . Trong bộ chuyển đổi mức một chiều, chân đầu vào dành riêng cho một miền điện áp và chân đầu ra dành riêng cho miền điện áp khác, nhưng điều này không đúng với bộ chuyển đổi mức hai chiều, nó có thể chuyển đổi tín hiệu logic theo cả hai chiều . Đối với bộ chuyển đổi mức hai chiều, mỗi miền điện áp không chỉ có chân đầu vào mà còn có chân đầu ra. Ví dụ: nếu bạn cung cấp 5.5V cho phía đầu vào, nó sẽ chuyển đổi nó thành 3,3V ở phía đầu ra, tương tự nếu bạn cung cấp 3,3V cho phía đầu ra, nó sẽ chuyển đổi nó thành 5V ở phía đầu vào.
Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ xây dựng một bộ chuyển đổi mức hai chiều đơn giản và sẽ kiểm tra nó để chuyển đổi Cao thành Thấp và chuyển đổi Thấp sang Cao .
Mạch chuyển đổi mức logic hai chiều dùng mosfet
Một mạch chuyển đổi logic hai chiều đơn giản được hiển thị trong hình dưới đây.
Mạch sử dụng MOSFET kênh n để chuyển đổi mức logic điện áp thấp sang mức logic điện áp cao. Một bộ chuyển đổi mức logic đơn giản cũng có thể được chế tạo bằng cách sử dụng bộ chia điện trở nhưng nó sẽ gây ra tổn thất điện áp. MOSFET hoặc bộ chuyển đổi mức logic dựa trên bóng bán dẫn chuyên nghiệp, đáng tin cậy và an toàn hơn để tích hợp.
Mạch cũng sử dụng thêm hai thành phần là R1 và R2. Đó là những điện trở kéo lên . Do số lượng phần thấp nhất, nó cũng là một giải pháp hiệu quả về chi phí. Tùy thuộc vào mạch trên, một bộ chuyển đổi logic hai chiều 3.3V sang 5V đơn giản sẽ được xây dựng.
Mạch chuyển đổi mức 5V sang 3,3V sử dụng MOSFET
Các 5V sang 3.3V bi-directional chuyển đổi mức logic mạch có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây –
Như bạn thấy, chúng ta phải cung cấp một điện áp không đổi 5V và 3,3V cho các điện trở R1 và R2. Các chân Low_side_Logic_Input và High_Side_Logic_Input có thể được sử dụng thay thế cho nhau làm chân Input và Output.
Các thành phần được sử dụng trong mạch trên là
R1 – 4,7k
R2 – 4,7k
Q1 – BS170 (MOSFET kênh N).
Cả hai điện trở đều có dung sai 1%. Điện trở có dung sai 5% cũng sẽ hoạt động. Các sơ đồ chân của BS170 MOSFET có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây theo thứ tự Drain, Gate và Source .
Cấu tạo mạch gồm hai điện trở kéo lên 4,7k mỗi cái. Xả và chân nguồn của MOSFET được kéo lên mức điện áp mong muốn (trong trường hợp này là 5V và 3.3V) để chuyển đổi logic từ thấp đến cao hoặc cao xuống thấp. Bạn cũng có thể sử dụng bất kỳ giá trị nào từ 1k đến 10k cho R1 và R2 vì chúng chỉ hoạt động như điện trở kéo lên.
Để có trạng thái làm việc hoàn hảo, có hai điều kiện cần được đáp ứng trong khi thi công mạch. Điều kiện đầu tiên là, điện áp logic mức thấp (3.3V trong trường hợp này) yêu cầu được kết nối với nguồn của MOSFET và điện áp logic mức cao (5V trong trường hợp này) phải được kết nối với chân xả của MOSFET. Điều kiện thứ hai là, cổng của MOSFET cần được kết nối với nguồn điện áp thấp (trong trường hợp này là 3,3V).
Mô phỏng Mạch chuyển đổi mức logic hai chiều dùng mosfet
Hoạt động hoàn chỉnh của mạch dịch chuyển mức logic có thể được hiểu bằng cách sử dụng kết quả mô phỏng. Như bạn có thể thấy trong hình ảnh GIF bên dưới, trong quá trình chuyển đổi logic mức cao xuống mức thấp, chân đầu vào Logic được dịch chuyển giữa 5V và 0V (mặt đất) và đầu ra logic thu được là 3,3V và 0V.
Bộ chuyển đổi mức cao thành mức thấp
Tương tự trong quá trình chuyển đổi mức thấp sang mức cao, đầu vào Logic nằm giữa 3,3V và 0V được chuyển đổi thành đầu ra Logic 5V và 0V như trong hình GIF bên dưới.
Bộ chuyển đổi mức thấp sang mức cao
Hoạt động mạch chuyển đổi mức logic hai chiều dùng mosfet
Sau khi thỏa mãn hai điều kiện đó, mạch hoạt động ở ba trạng thái. Các trạng thái được mô tả dưới đây.
- Khi phía thấp ở trạng thái logic 1 hoặc cao (3,3V).
- Khi phía thấp ở trạng thái logic 0 hoặc thấp (0V).
- Khi mặt Cao thay đổi trạng thái từ 1 đến 0 hoặc cao xuống thấp (5V đến 0V)
Khi phía thấp ở mức cao, nghĩa là điện áp nguồn của MOSFET là 3,3V, MOSFET không dẫn do không đạt được điểm ngưỡng Vgs của MOSFET. Tại thời điểm này, cổng của MOSFET là 3.3V và nguồn của MOSFET cũng là 3.3V. Do đó, Vgs là 0V. MOSFET đã tắt. Logic 1 hoặc trạng thái cao của đầu vào phía thấp phản ánh về phía cống của MOSFET dưới dạng đầu ra 5V thông qua điện trở kéo lên R2.
Trong tình huống này, nếu mặt thấp của MOSFET thay đổi trạng thái của nó từ cao xuống thấp, MOSFET bắt đầu tiến hành. Nguồn ở mức logic 0, do đó mức cao cũng trở thành 0.
Hai điều kiện trên chuyển đổi thành công trạng thái logic điện áp thấp sang trạng thái logic điện áp cao.
Một trạng thái làm việc khác là khi mặt cao của MOSFET thay đổi trạng thái của nó từ cao xuống thấp. Đó là thời điểm khi diode chất nền thoát nước bắt đầu dẫn điện. MOSFET phía thấp được kéo xuống mức điện áp thấp cho đến khi Vgs vượt qua ngưỡng ngưỡng. Đường dây của cả phần hạ áp và cao áp trở nên thấp ở cùng một cấp điện áp.
Tốc độ chuyển đổi của Bộ chuyển đổi
Một tham số quan trọng khác cần xem xét khi thiết kế bộ chuyển đổi mức logic là Tốc độ chuyển đổi. Vì hầu hết các bộ chuyển đổi logic sẽ được sử dụng giữa các bus truyền thông như USART, I2C, v.v., điều quan trọng là bộ chuyển đổi logic phải chuyển đổi đủ nhanh (tốc độ chuyển tiếp) để phù hợp với tốc độ truyền của các đường truyền thông.
Tốc độ chuyển đổi giống như tốc độ chuyển đổi của MOSFET. Do đó trong trường hợp của chúng tôi theo biểu dữ liệu BS170, thời gian bật của MOSFET và thời gian tắt của MOSFET được nêu dưới đây. Do đó, điều quan trọng là phải chọn MOSFET phù hợp cho thiết kế bộ chuyển đổi mức logic của bạn .
Vì vậy, MOSFET của chúng tôi ở đây yêu cầu 10nS để bật và 10nS để tắt, có nghĩa là nó có thể bật và tắt 10,00,000 lần trong một giây. Giả sử rằng đường truyền của chúng ta đang hoạt động với tốc độ (tốc độ truyền) 115200 bit / giây, thì điều đó có nghĩa là nó chỉ tắt và mở 1.15.200 trong một giây. Vì vậy, chúng tôi cũng có thể sử dụng thiết bị của mình cho giao tiếp tốc độ baud cao.
Kiểm tra mạch chuyển đổi logic
Các thành phần và công cụ sau được yêu cầu để kiểm tra mạch:
- Bộ nguồn với hai đầu ra hiệu điện thế khác nhau.
- Hai vạn năng.
- Hai công tắc xúc giác.
- Ít dây để kết nối.
Sơ đồ được sửa đổi để kiểm tra mạch.
Trong sơ đồ trên, hai công tắc xúc giác bổ sung được giới thiệu. Ngoài ra, một đồng hồ vạn năng được gắn để kiểm tra quá trình chuyển đổi logic. Bằng cách nhấn SW1 , mặt thấp của MOSFET thay đổi trạng thái của nó từ cao xuống thấp và bộ chuyển đổi mức logic đang hoạt động như một bộ chuyển đổi mức logic điện áp thấp sang điện áp cao.
Mặt khác, bằng cách nhấn SW2 , mặt cao của MOSFET thay đổi trạng thái của nó từ cao xuống thấp và bộ chuyển đổi mức logic đang hoạt động như một bộ chuyển đổi mức logic điện áp cao sang điện áp thấp.
Mạch được xây dựng trong một breadboard và đã được thử nghiệm.
Hình trên hiển thị trạng thái logic trên cả hai mặt của MOSFET. Cả hai đều ở trạng thái Logic 1.
Hạn chế của Bộ chuyển đổi cấp độ logic
Mạch chắc chắn có một số hạn chế. Các hạn chế phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn MOSFET . Các điện áp tối đa và cống hiện tại có thể được sử dụng trong mạch này phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của MOSFET. Ngoài ra, điện áp logic tối thiểu là 1,8V. Điện áp logic nhỏ hơn 1.8V sẽ không hoạt động bình thường do giới hạn Vgs của MOSFET. Đối với điện áp thấp hơn 1,8V, có thể sử dụng bộ chuyển đổi mức logic chuyên dụng.
Tầm quan trọng và ứng dụng Mạch chuyển đổi mức logic hai chiều dùng mosfet
Như đã thảo luận trong phần giới thiệu, mức điện áp không tương thích trong thiết bị điện tử kỹ thuật số là một vấn đề đối với giao tiếp và truyền dữ liệu. Do đó, cần phải có bộ chuyển đổi mức hoặc bộ chuyển mức để khắc phục các lỗi liên quan đến mức điện áp trong mạch.
Do sự sẵn có của các mạch mức logic phạm vi rộng trên thị trường điện tử và cũng cho các bộ vi điều khiển mức điện áp khác nhau, bộ dịch mức logic có một trường hợp sử dụng đáng kinh ngạc. Một số thiết bị ngoại vi và thiết bị kế thừa hoạt động dựa trên I2C, UART hoặc codec âm thanh , cần có bộ chuyển đổi mức cho mục đích giao tiếp với vi điều khiển.
IC chuyển đổi mức logic phổ biến
Có rất nhiều nhà sản xuất cung cấp các giải pháp tích hợp để chuyển đổi mức logic. Một trong những IC phổ biến là MAX232 . Nó là một trong những IC chuyển đổi mức logic phổ biến nhất, giúp chuyển đổi điện áp logic của vi điều khiển 5V thành 12V. Cổng RS232 được sử dụng để giao tiếp giữa các máy tính với một bộ vi điều khiển và yêu cầu +/- 12V. Chúng tôi đã sử dụng MAX232 với PIC và một số vi điều khiển khác trước đó để giao tiếp vi điều khiển với máy tính.
Cũng tồn tại các yêu cầu khác nhau tùy thuộc vào việc chuyển đổi mức điện áp rất thấp, tốc độ chuyển đổi, không gian, chi phí, v.v.
SN74AX cũng là một loạt bộ chuyển đổi mức điện áp hai chiều phổ biến của Texas Instruments . Có rất nhiều IC trong phân đoạn này cung cấp chuyển đổi bus cung cấp một bit sang 4 bit cùng với các tính năng bổ sung.
Một IC chuyển đổi mức logic hai chiều phổ biến khác là MAX3394E của Maxim Integrated . Nó sử dụng cấu trúc liên kết chuyển đổi tương tự bằng MOSFET. Sơ đồ chân có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây. Bộ chuyển đổi hỗ trợ chân kích hoạt riêng biệt có thể được điều khiển bằng vi điều khiển, đây là một tính năng được bổ sung.
Cấu trúc bên trong ở trên hiển thị cùng một cấu trúc liên kết MOSFET nhưng với cấu hình kênh P. Nó có rất nhiều tính năng bổ sung như bảo vệ ESD 15kV trên đường I / O và VCC. Sơ đồ điển hình có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây.
Sơ đồ trên hiển thị một mạch đang chuyển đổi mức logic 1,8V sang mức logic 3,3V và ngược lại. Bộ điều khiển hệ thống có thể là bất kỳ bộ vi điều khiển nào cũng đang điều khiển chân EN.
Vì vậy, đây là tất cả về mạch chuyển đổi mức logic hai chiều và hoạt động.