Dua

Kembali ke era ENIAC, komputer lebih bersifat analog dan menggunakan sangat sedikit IC digital. Saat ini rata-rata komputer Joe bekerja dengan beberapa level voltase, orang-orang yang telah melihat SMPS dari sebuah CPU akan menyadari bahwa komputer Anda membutuhkan ± 12V, + 5V dan + 3,3V untuk beroperasi. Level tegangan ini sangat penting untuk komputer; tegangan tertentu menentukan status sinyal (tinggi atau rendah). Status tinggi ini diterima oleh komputer sebagai biner 1 dan status rendah sebagai biner 0. Tergantung pada kondisi 0 dan 1, komputer menghasilkan data, kode, dan instruksi untuk memberikan keluaran yang diperlukan.

Level tegangan logika modern sangat bervariasi dari 1.8V hingga 5V. Tegangan logika standar adalah 5V, 3,3V, 1,8V, dll. Tetapi, Bagaimana sistem atau pengontrol yang bekerja dengan level logika 5V (Contoh Arduino) berkomunikasi dengan sistem lain yang bekerja dengan 3,3V (Contoh ESP8266) atau tegangan lain yang berbeda tingkat? Skenario ini sering terjadi pada banyak desain, di mana terdapat beberapa mikro-kontroler atau sensor yang digunakan dan solusinya di sini adalah menggunakan Konverter Tingkat Logika atau Pengubah Tingkat Logika. Pada artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut tentang Pengonversi Level Logika dan kami juga akan membangun rangkaian konverter Tingkat Logika Bi-directional sederhana menggunakan MOSFET yang akan berguna untuk desain sirkuit Anda.

Tegangan Input Level Tinggi dan Level Rendah

Namun, dari sisi mikroprosesor atau mikrokontroler, nilai level tegangan logika tidak tetap; ia memiliki beberapa toleransi dengannya. Misalnya, Logika Tinggi yang diterima (logika 1) untuk mikrokontroler level logika 5V adalah minimum 2,0V (Tegangan Input Tingkat Tinggi Minimum) hingga maksimum 5,1V (Tegangan Input Tingkat Tinggi Maksimum). Demikian pula untuk logika rendah (logika 0) nilai tegangan yang diterima adalah dari 0V (Tegangan Input Level Rendah Minimum) hingga maksimum 8V (Tegangan Input Level Rendah Maksimum).

Contoh di atas berlaku untuk mikrokontroler level logika 5V tetapi mikrokontroler level logika 3,3V dan 1,8V juga tersedia. Dalam jenis mikrokontroler seperti itu, kisaran tegangan level logika akan bervariasi. Anda bisa mendapatkan informasi yang relevan dari lembar data IC pengontrol tertentu. Saat menggunakan konverter level tegangan, harus diperhatikan bahwa nilai tegangan tinggi dan nilai tegangan rendah berada dalam batas parameter ini.

Konverter Tingkat Logika dua arah

Bergantung pada aplikasi dan konstruksi teknis, tersedia dua jenis pemindah level, Pengonversi Tingkat Logika Searah dan Pengonversi Tingkat Logika Bi-directional. Dalam konverter level searah, pin input didedikasikan untuk satu domain voltase dan pin output didedikasikan untuk domain voltase lainnya, tetapi ini tidak berlaku untuk konverter level dua arah, pin input dapat mengubah sinyal logika di kedua arah. Untuk konverter tingkat dua arah, setiap domain tegangan tidak hanya memiliki pin input tetapi juga memiliki pin output. Misalnya jika Anda menyediakan 5,5V ke sisi input, itu akan mengubahnya menjadi 3,3V di sisi output, demikian pula jika Anda menyediakan 3,3V ke sisi output, itu akan mengubahnya menjadi 5V di sisi input.

Dalam tutorial ini, kita akan membuat konverter tingkat dua arah sederhana dan akan mengujinya untuk konversi Tinggi ke Rendah dan konversi Rendah ke Tinggi.

Pengonversi Tingkat Logika Dua Arah Sederhana

Rangkaian konverter logika dua arah sederhana ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Rangkaian ini menggunakan MOSFET n-channel untuk mengubah level logika tegangan rendah menjadi level logika tegangan tinggi. Konverter level logika sederhana juga dapat dibangun menggunakan pembagi tegangan resistif tetapi itu akan menyebabkan kehilangan tegangan. MOSFET atau konverter level logika berbasis transistor profesional, andal, dan lebih aman untuk diintegrasikan.

Rangkaian ini juga menggunakan dua komponen tambahan, R1 dan R2. Itu adalah resistor pull-up. Karena jumlah bagian terendah, ini juga merupakan solusi hemat biaya. Bergantung pada rangkaian di atas, konverter logika dua arah 3.3V ke 5V sederhana akan dibangun.

5V ke 3.3V Level Converter menggunakan MOSFET

The 5V ke 3.3V bi-directional tingkat logika converter sirkuit dapat dilihat pada gambar di bawah -

Seperti yang Anda lihat, kami harus memberikan tegangan konstan 5V dan 3,3V ke resistor R1 dan R2. Pin Low_side_Logic_Input dan High_Side_Logic_Input dapat digunakan secara bergantian sebagai pin Input dan Output.

Komponen yang digunakan pada rangkaian di atas adalah

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (saluran N MOSFET).

Kedua resistor 1% toleran. Resistor dengan toleransi 5% juga akan berfungsi. Pinout dari MOSFET BS170 dapat dilihat pada gambar di bawah ini yang ada di urutan Drain, Gate dan Source.

Konstruksi sirkuit terdiri dari dua resistor penarik masing-masing 4.7k. Tiriskan dan pin sumber MOSFET ditarik ke tingkat tegangan yang diinginkan (dalam hal ini 5V dan 3,3V) untuk konversi logika rendah ke tinggi atau tinggi ke rendah. Anda juga dapat menggunakan nilai apa pun antara 1k hingga 10k untuk R1 dan R2 karena keduanya hanya bertindak sebagai resistor penarik.

Untuk kondisi kerja yang sempurna, ada dua kondisi yang harus dipenuhi saat membangun sirkuit. Kondisi pertama adalah, tegangan logika level rendah (dalam hal ini 3.3V) harus dihubungkan dengan sumber MOSFET dan tegangan logika level tinggi (dalam hal ini 5V) harus dihubungkan ke pin drain MOSFET. Kondisi kedua adalah, gerbang MOSFET harus terhubung ke suplai tegangan rendah (dalam hal ini 3,3V).

Simulasi Konverter Tingkat Logika Bi-Directional

Kerja lengkap dari rangkaian shifter level logika dapat dipahami dengan menggunakan hasil simulasi. Seperti yang Anda lihat pada gambar GIF di bawah ini, selama konversi logika level tinggi ke level rendah, pin input Logika bergeser antara 5V dan 0V (ground) dan output logika diperoleh sebagai 3,3V dan 0V.

Demikian pula selama konversi level rendah ke level tinggi, input Logika antara 3.3V dan 0V diubah menjadi output Logika 5V dan 0V seperti yang ditunjukkan pada gambar GIF di bawah ini.

Rangkaian Konverter Level Logika Bekerja

Setelah memenuhi kedua kondisi tersebut, rangkaian bekerja dalam tiga kondisi. Negara bagian dijelaskan di bawah ini.

Ketika sisi rendah dalam logika 1 atau status tinggi (3.3V).
Ketika sisi rendah dalam logika 0 atau keadaan rendah (0V).
Ketika sisi Tinggi mengubah status dari 1 menjadi 0 atau tinggi ke rendah (5V ke 0V)

Ketika sisi rendah tinggi, itu berarti tegangan sumber MOSFET adalah 3,3V, MOSFET tidak bekerja karena titik ambang Vgs dari MOSFET tidak tercapai. Pada titik ini gerbang MOSFET adalah 3.3V dan sumber MOSFET juga 3.3V. Oleh karena itu, Vgs adalah 0V. MOSFET tidak aktif. Logika 1 atau status tinggi dari input sisi rendah mencerminkan sisi drain MOSFET sebagai output 5V melalui resistor pullup R2.

Dalam situasi ini, jika sisi rendah MOSFET berubah status dari tinggi ke rendah, MOSFET mulai bekerja. Sumbernya ada di logika 0, maka sisi tinggi juga menjadi 0.

Kedua kondisi di atas berhasil mengubah status logika tegangan rendah menjadi status logika tegangan tinggi.

Keadaan kerja lainnya adalah ketika sisi atas MOSFET mengubah statusnya dari tinggi ke rendah. Ini adalah waktu ketika dioda media pengurasan mulai bekerja. Sisi rendah MOSFET ditarik ke level tegangan rendah sampai Vgs melewati titik ambang. Jalur bus dari seksi tegangan rendah dan tinggi menjadi rendah pada level tegangan yang sama.

Kecepatan switching Konverter

Parameter penting lainnya yang perlu dipertimbangkan saat mendesain konverter level logika adalah kecepatan Transisi. Karena kebanyakan konverter logika akan digunakan di antara bus komunikasi seperti USART, I2C dll, penting bagi konverter logika untuk beralih cukup cepat (kecepatan transisi) agar sesuai dengan baud rate jalur komunikasi.

Kecepatan transisi sama dengan kecepatan switching MOSFET. Karenanya dalam kasus kami menurut lembar data BS170, waktu nyala MOSFET dan waktu matikan MOSFET dinyatakan di bawah ini. Oleh karena itu, penting untuk memilih MOSFET yang tepat untuk desain konverter level logika Anda.

Jadi MOSFET kami di sini membutuhkan 10nS untuk dihidupkan dan 10nS untuk dimatikan, artinya MOSFET dapat dihidupkan dan dimatikan 10,00,000 kali dalam satu detik. Dengan asumsi bahwa jalur komunikasi kita beroperasi pada kecepatan (baud rate) 115200 bit per detik, berarti hanya 1,15.200 bit per detik yang mati dan mati. Jadi kami dapat menggunakan perangkat kami dengan sangat baik untuk komunikasi baud rate tinggi juga.

Menguji Konverter Logika Anda

Komponen dan alat berikut diperlukan untuk menguji sirkuit -

Catu daya dengan dua keluaran tegangan yang berbeda.
Dua multimeter.
Dua sakelar taktil.
Beberapa kabel untuk koneksi.

Skema dimodifikasi untuk menguji rangkaian.

Dalam skema di atas, dua sakelar taktil tambahan diperkenalkan. Juga, multimeter dipasang untuk memeriksa transisi logika. Dengan menekan SW1, sisi rendah MOSFET mengubah statusnya dari tinggi ke rendah dan konverter level logika bekerja sebagai konverter level logika tegangan rendah ke tegangan tinggi.

Di sisi lain, dengan menekan SW2, sisi tinggi MOSFET mengubah statusnya dari tinggi ke rendah dan konverter level logika bekerja sebagai konverter level logika tegangan tinggi ke tegangan rendah.

Sirkuit ini dibuat di papan tempat memotong roti dan diuji.

Gambar di atas menunjukkan status logika di kedua sisi MOSFET. Keduanya berada dalam status Logika 1.

Video kerja lengkapnya dapat dilihat pada video di bawah ini.

Batasan Konverter Tingkat Logika

Sirkuit tersebut tentunya memiliki beberapa keterbatasan. Batasan tersebut sangat bergantung pada pemilihan MOSFET. The tegangan maksimum dan arus drain dapat digunakan di sirkuit ini tergantung pada spesifikasi MOSFET. Juga, tegangan logika minimum adalah 1,8V. Tegangan logika yang kurang dari 1,8V tidak akan berfungsi dengan baik karena batasan Vgs pada MOSFET. Untuk tegangan yang lebih rendah dari 1,8V, konverter level logika khusus dapat digunakan.

Pentingnya dan Aplikasi

Seperti yang dibahas di bagian pendahuluan, level tegangan yang tidak kompatibel dalam elektronik digital merupakan masalah antarmuka dan transmisi data. Oleh karena itu, diperlukan pengonversi level atau pengalih level untuk mengatasi kesalahan terkait level tegangan di sirkuit.

Karena ketersediaan rangkaian level logika yang luas di pasar elektronik dan juga untuk mikrokontroler level voltase yang berbeda, shifter level logika memiliki kasus penggunaan yang luar biasa. Beberapa periferal dan perangkat lawas yang bekerja berdasarkan I2C, UART, atau codec audio, membutuhkan konverter level untuk keperluan komunikasi dengan mikrokontroler.

IC Konverter Tingkat Logika Populer

Ada banyak pabrikan yang menyediakan solusi terintegrasi untuk konversi level logika. Salah satu IC yang populer adalah MAX232. Ini adalah salah satu IC konverter level logika paling umum yang mengubah tegangan logika mikrokontroler 5V ke 12V. Port RS232 digunakan untuk komunikasi antar komputer dengan mikrokontroler dan membutuhkan +/- 12V. Kami telah menggunakan MAX232 dengan PIC dan beberapa mikrokontroler lainnya sebelumnya untuk menghubungkan mikrokontroler dengan komputer.

Ada berbagai persyaratan yang juga ada tergantung pada konversi level tegangan yang sangat rendah, kecepatan konversi, ruang, biaya, dll.

SN74AX juga merupakan rangkaian populer dari konverter level tegangan dua arah oleh Texas Instruments. Ada banyak IC di segmen ini yang menawarkan transisi bus pasokan bit ke 4-bit bersama dengan fitur tambahan.

IC konverter level logika dua arah populer lainnya adalah MAX3394E dari Maxim Integrated. Ini menggunakan topologi konversi yang sama menggunakan MOSFET. Diagram pin dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Konverter mendukung pin pengaktifan terpisah yang dapat dikontrol menggunakan mikrokontroler yang merupakan fitur tambahan.

Konstruksi internal di atas menunjukkan topologi MOSFET yang sama tetapi dengan konfigurasi saluran-P. Ini memiliki banyak fitur tambahan tambahan seperti perlindungan ESD 15kV pada jalur I / O dan VCC. Skema tipikal dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Skema di atas menunjukkan rangkaian yang mengubah level logika 1,8V ke level logika 3,3V dan sebaliknya. Pengontrol sistem yang dapat berupa unit mikrokontroler apa pun juga mengontrol pin EN.

Jadi, ini semua tentang rangkaian konversi level logika dua arah dan berfungsi.