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En la era ENIAC, las computadoras eran de naturaleza más analógica y usaban muy pocos circuitos integrados digitales. Hoy en día, una computadora de Joe promedio funciona con múltiples niveles de voltaje, las personas que habían visto el SMPS de una CPU habrían notado que su computadora requiere ± 12V, + 5V y + 3.3V para funcionar. Estos niveles de voltaje son muy importantes para una computadora; un voltaje específico determina el estado de la señal (alto o bajo). Este estado alto es aceptado por la computadora como 1 binario y el estado bajo como 0 binario. Dependiendo de la condición 0 y 1, la computadora produce datos, códigos e instrucciones para proporcionar la salida requerida.

Los niveles de voltaje lógico moderno varían en gran medida de 1.8V a 5V. Los voltajes lógicos estándar son 5V, 3.3V, 1.8V, etc. Pero, ¿cómo se comunica un sistema o controlador que funciona con un nivel lógico de 5V (ejemplo Arduino) con otro sistema que funciona con 3.3V (ejemplo ESP8266) o cualquier otro voltaje diferente? ¿nivel? Este escenario ocurre a menudo en muchos diseños, donde se utilizan varios microcontroladores o sensores y la solución aquí es utilizar un convertidor de nivel lógico o un cambiador de nivel lógico. En este artículo aprenderemos más sobre los convertidores de nivel lógico y también construiremos un circuito convertidor de nivel lógico bidireccional simple usando MOSFET que será útil para sus diseños de circuitos.

Voltaje de entrada de alto y bajo nivel

Sin embargo, desde el lado del microprocesador o del microcontrolador, el valor del nivel de voltaje lógico no es fijo; tiene cierta tolerancia con eso. Por ejemplo, el nivel lógico alto aceptado (lógica 1) para microcontroladores de nivel lógico de 5 V es un mínimo de 2,0 V (voltaje de entrada de nivel alto mínimo) y un máximo de 5,1 V (voltaje de entrada de nivel alto máximo). De manera similar, para lógica baja (lógica 0), el valor de voltaje aceptado es de 0 V (voltaje de entrada mínimo de nivel bajo) al máximo de 8 V (voltaje de entrada de nivel bajo máximo).

El ejemplo anterior es válido para microcontroladores de nivel lógico de 5 V, pero también están disponibles microcontroladores de nivel lógico de 3,3 V y 1,8 V. En este tipo de microcontroladores, el rango de voltaje del nivel lógico variará. Puede obtener la información relevante de la hoja de datos de ese controlador IC en particular. Cuando utilice un convertidor de nivel de voltaje, se debe tener cuidado de que el valor de alto voltaje y el valor de bajo voltaje estén dentro del límite de estos parámetros.

Convertidor de nivel lógico bidireccional

Dependiendo de la aplicación y la construcción técnica, hay dos tipos de cambiadores de nivel disponibles, convertidor de nivel lógico unidireccional y convertidor de nivel lógico bidireccional. En los convertidores de nivel unidireccionales, los pines de entrada están dedicados a un dominio de voltaje y los pines de salida están dedicados al otro dominio de voltaje, pero este no es el caso de los convertidores de nivel bidireccionales, ya que pueden convertir señales lógicas en ambas direcciones. Para los convertidores de nivel bidireccionales, cada dominio de voltaje no solo tiene pines de entrada, sino que también tiene el pin de salida. Por ejemplo, si proporciona 5,5 V en el lado de entrada, lo convertirá a 3,3 V en el lado de salida, de manera similar, si proporciona 3,3 V en el lado de salida, lo convertirá a 5 V en el lado de entrada.

En este tutorial, crearemos un convertidor de nivel bidireccional simple y lo probaremos para la conversión de alto a bajo y de bajo a alto.

Convertidor de nivel lógico bidireccional simple

En la siguiente imagen se muestra un circuito convertidor lógico bidireccional simple.

El circuito utiliza un MOSFET de canal n para convertir el nivel lógico de bajo voltaje a un nivel lógico de alto voltaje. También se puede construir un convertidor de nivel lógico simple usando divisores de voltaje resistivos pero introducirá pérdida de voltaje. Los convertidores de nivel lógico basados ​​en transistores o MOSFET son profesionales, fiables y más seguros de integrar.

El circuito también utiliza dos componentes adicionales, R1 y R2. Esas son resistencias pull-up. Debido al menor número de piezas, también es una solución rentable. Dependiendo del circuito anterior, se construirá un convertidor lógico bidireccional simple de 3.3V a 5V.

Convertidor de nivel de 5V a 3.3V usando MOSFET

El circuito convertidor de nivel lógico bidireccional de 5 V a 3,3 V se puede ver en la siguiente imagen:

Como puede ver, tenemos que proporcionar un voltaje constante de 5V y 3.3V a las resistencias R1 y R2. Los pines Low_side_Logic_Input y High_Side_Logic_Input se pueden usar indistintamente como pines de entrada y salida.

Los componentes utilizados en el circuito anterior son

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (MOSFET de canal N).

Ambas resistencias son tolerantes al 1%. También funcionarán resistencias con una tolerancia del 5%. Los pines de BS170 MOSFET se pueden ver en la siguiente imagen que está en el orden de drenaje, compuerta y fuente.

La construcción del circuito consta de dos resistencias pull up de 4.7k cada una. El drenaje y el pin de fuente del MOSFET se elevan al nivel de voltaje deseado (en este caso, 5 V y 3,3 V) para la conversión lógica de baja a alta o de alta a baja. También puede usar cualquier valor entre 1k y 10k para R1 y R2, ya que actúan solo como resistencias pull-up.

Para el perfecto estado de funcionamiento, hay dos condiciones que deben cumplirse al construir el circuito. La primera condición es que el voltaje lógico de bajo nivel (3.3V en este caso) requiere estar conectado con la fuente del MOSFET y el voltaje lógico de alto nivel (5V en este caso) debe estar conectado al pin de drenaje del MOSFET. La segunda condición es que la puerta del MOSFET debe estar conectada a la fuente de bajo voltaje (3.3V en este caso).

Simulación de convertidor de nivel lógico bidireccional

El funcionamiento completo del circuito del cambiador de nivel lógico se puede comprender mediante el uso de resultados de simulación. Como puede ver en la siguiente imagen GIF, durante la conversión lógica de nivel alto a nivel bajo, el pin de entrada lógica se cambia entre 5V y 0V (tierra) y la salida lógica se obtiene como 3.3V y 0V.

De manera similar, durante la conversión de nivel bajo a nivel alto, la entrada lógica está entre 3.3V y 0V y se convierte en una salida lógica de 5V y 0V como se muestra en la siguiente imagen GIF.

Funcionamiento del circuito del convertidor de nivel lógico

Después de cumplir esas dos condiciones, el circuito funciona en tres estados. Los estados se describen a continuación.

1. Cuando el lado bajo está en lógica 1 o en estado alto (3.3V).
2. Cuando el lado bajo está en 0 lógico o en estado bajo (0V).
3. Cuando el lado alto cambia el estado de 1 a 0 o de alto a bajo (5 V a 0 V)

Cuando el lado bajo es alto, eso significa que el voltaje de la fuente del MOSFET es 3.3V, el MOSFET no conduce debido a que no se alcanza el punto de umbral Vgs del MOSFET. En este punto, la puerta del MOSFET es 3.3V y la fuente del MOSFET también es 3.3V. Por tanto, Vgs es 0V. El MOSFET está apagado. La lógica 1 o el estado alto de la entrada del lado bajo se refleja en el lado de drenaje del MOSFET como una salida de 5V a través de la resistencia de pullup R2.

En esta situación, si el lado bajo del MOSFET cambia su estado de alto a bajo, el MOSFET comienza a conducir. La fuente está en 0 lógico, por lo que el lado alto también se convirtió en 0.

Las dos condiciones anteriores convierten con éxito el estado lógico de bajo voltaje en un estado lógico de alto voltaje.

Otro estado de trabajo es cuando el lado alto del MOSFET cambia su estado de alto a bajo. Es el momento en que el diodo del sustrato de drenaje comienza a conducir. El lado bajo del MOSFET se baja a un nivel de voltaje bajo hasta que los Vgs cruzan el punto de umbral. La línea de bus de la sección de alto y bajo voltaje se volvió baja al mismo nivel de voltaje.

Velocidad de conmutación del convertidor

Otro parámetro importante a considerar al diseñar un convertidor de nivel lógico es la velocidad de transición. Dado que la mayoría de los convertidores lógicos se utilizarán entre buses de comunicación como USART, I2C, etc., es importante que el convertidor lógico cambie lo suficientemente rápido (velocidad de transición) para coincidir con la velocidad en baudios de las líneas de comunicación.

La velocidad de transición es la misma que la velocidad de conmutación del MOSFET. Por lo tanto, en nuestro caso, de acuerdo con la hoja de datos BS170, el tiempo de encendido del MOSFET y el tiempo de apagado del MOSFET se indican a continuación. Por lo tanto, es importante seleccionar el MOSFET correcto para el diseño de su convertidor de nivel lógico.

Entonces, nuestro MOSFET aquí requiere 10nS para encenderse y 10nS para apagarse, lo que significa que puede encenderse y apagarse 10,00,000 veces en un segundo. Suponiendo que nuestra línea de comunicación está operando a una velocidad de (tasa de baudios) 115200 bits por segundo, entonces significa que se apaga y apaga solo 1,15,200 en un segundo. Por lo tanto, también podemos usar nuestro dispositivo para comunicaciones de alta velocidad en baudios.

Prueba de su convertidor lógico

Se requieren los siguientes componentes y herramientas para probar el circuito:

1. Fuente de alimentación con dos salidas de voltaje diferentes.
2. Dos multímetros.
3. Dos interruptores táctiles.
4. Pocos cables para la conexión.

El esquema se modifica para probar el circuito.

En el esquema anterior, se introducen dos interruptores táctiles adicionales. Además, se adjunta un multímetro para verificar la transición lógica. Al presionar SW1, el lado bajo del MOSFET cambia su estado de alto a bajo y el convertidor de nivel lógico funciona como un convertidor de nivel lógico de bajo voltaje a alto voltaje.

Por otro lado, al presionar SW2, el lado alto del MOSFET cambia su estado de alto a bajo y el convertidor de nivel lógico funciona como un convertidor de nivel lógico de alto voltaje a bajo voltaje.

El circuito se construye en una placa de pruebas y se prueba.

La imagen de arriba muestra el estado lógico en ambos lados del MOSFET. Ambos están en estado Lógica 1.

El video de trabajo completo se puede ver en el siguiente video.

Limitaciones de Logic Level Converter

El circuito ciertamente tiene algunas limitaciones. Las limitaciones dependen en gran medida de la selección del MOSFET. El voltaje máximo y la corriente de drenaje que se pueden usar en este circuito dependen de la especificación del MOSFET. Además, el voltaje lógico mínimo es 1.8V. El voltaje lógico inferior a 1,8 V no funcionará correctamente debido a la limitación Vgs del MOSFET. Para un voltaje inferior a 1,8 V, se pueden utilizar convertidores de nivel lógico dedicados.

Importancia y aplicaciones

Como se discutió en la parte introductoria, el nivel de voltaje incompatible en la electrónica digital es un problema para la interfaz y la transmisión de datos. Por lo tanto, se requiere un convertidor de nivel o un cambiador de nivel para superar los errores relacionados con el nivel de voltaje en los circuitos.

Debido a la disponibilidad de circuitos de nivel lógico de amplio rango en el mercado de la electrónica y también para los diferentes microcontroladores de nivel de voltaje, el cambiador de nivel lógico tiene un caso de uso increíble. Varios periféricos y dispositivos heredados que funcionan basados ​​en I2C, UART o códec de audio, necesitan convertidores de nivel para comunicarse con un microcontrolador.

Circuitos integrados convertidores de nivel lógico populares

Hay muchos fabricantes que ofrecen soluciones integradas para la conversión de nivel lógico. Uno de los IC populares es MAX232. Es uno de los convertidores de nivel lógico IC más comunes que convierte el voltaje lógico del microcontrolador de 5V a 12V. El puerto RS232 se usa para comunicarse entre computadoras con un microcontrolador y requiere +/- 12V. Ya hemos usado MAX232 con PIC y algunos otros microcontroladores anteriormente para conectar un microcontrolador con una computadora.

También existen diferentes requisitos dependiendo de la conversión de nivel de voltaje muy bajo, velocidad de conversión, espacio, costo, etc.

SN74AX es también una popular serie de convertidores de nivel de voltaje bidireccionales de Texas Instruments. Hay muchos circuitos integrados en este segmento que ofrecen una transición de bus de suministro de un solo bit a 4 bits junto con características adicionales.

Otro popular convertidor de nivel lógico bidireccional IC es el MAX3394E de Maxim Integrated. Utiliza la misma topología de conversión usando MOSFET. El diagrama de pines se puede ver en la siguiente imagen. El convertidor admite un pin de habilitación separado que se puede controlar mediante microcontroladores, lo cual es una característica adicional.

La construcción interna anterior muestra la misma topología MOSFET pero con configuración de canal P. Tiene muchas características adicionales adicionales, como protección ESD de 15 kV en líneas de E / S y VCC. El esquema típico se puede ver en la siguiente imagen.

El esquema anterior muestra un circuito que convierte el nivel lógico de 1.8V en un nivel lógico de 3.3V y viceversa. El controlador del sistema, que puede ser cualquier unidad de microcontrolador, también controla el pin EN.

Entonces, esto se trata de un circuito de conversión de nivel lógico bidireccional y de su funcionamiento.