Использование стандартных микросхем NXP для преобразования логических уровней

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2014

Ali Zeeshan, NXP Semiconductors

EEWeb

Во многих современных портативных системах сочетаются устройства с различными рабочими напряжениями. Однонаправленные трансляторы, сдвигающие уровень напряжения вверх или вниз, могут сделать совместную работу этих устройств более эффективной. Свойствами, позволяющими использовать их для трансляции уровней с низкого на высокий или с высокого на низкий, обладают микросхемы из несколько семейств стандартной логики.

Основная идея

Сегодня разработчикам нередко приходится создавать устройства из разнородных элементов, для питания которых требуется несколько различных напряжений. Это особенно справедливо в отношении портативных приложений, где рабочие напряжения процессора, памяти и периферии с большой вероятностью неодинаковы. В таких случаях уровень выходного напряжения устройства-драйвера должен быть смещен вверх или вниз таким образом, чтобы приемник мог интерпретировать его правильно (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Сдвиг уровня выходного напряжения вверх или вниз.

Естественно, что сдвиг уровней нужен не сам по себе, а для обмена какими-то данными. Передача данных может происходить в одном направлении (однонаправленная) или в двух (двунаправленная). Мы будем рассматривать вопросы построения однонаправленных трансляторов.

Преобразование низких уровней в высокие

Для трансляции низких логических уровней в высокие могут использоваться логические устройства, имеющие низкие уровни входных порогов или выходы с открытыми стоками.

Устройства с низкими пороговыми уровнями на входах

Для преобразования низких логических уровней в высокие могут быть использованы КМОП устройства с входными порогами переключения, более низкими, чем у стандартных микросхем (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Упрощенная схема входа КМОП вентиля с входными порогами переключения, более низкими, чем у обычных микросхем.

Входной порог определяется комбинацией геометрических параметров транзистора N1 и падения напряжения на диоде D1. Кроме того, P-канальный транзистор P2 снижает перекрестный ток через инвертор.

Для этих целей пригодны логические микросхемы нескольких стандартных семейств. Например, выпускаемые NXP серии AHC и HCT, работающие в диапазоне напряжений питания до 5 В, могут использоваться для сдвига выходных уровней микросхем, подключенных к шине питания 3.3 В. Серии AUP1T и NX3 с напряжением питания до 3.6 В могут повышать логические уровни 1.8 В.

Устройства с открытыми стоками на выходах

Если выходы логических элементов имеют открытые стоки, их можно подключить через подтягивающие резисторы к источнику напряжения, отвечающего требованиям управляемого устройства. Такая схема трансляции уровня изображена на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Использование для трансляции уровня выхода с открытым стоком и подтягивающего резистора.

В качестве примера рассмотрим использование маломощного буфера с открытым стоком NXP 74AUP1G07 для трансляции уровня 1.8 В в 3.6 В. При входном уровне и напряжении питания 1.8 В выход с открытым стоком можно через резисторы подключить к напряжению 3.6 В, и управлять следующим каскадом, имеющим уровень «лог. 1», равный 3.5 В. Точно также с помощью микросхемы NXP 74AUP1G07 уровень 3 В можно преобразовать в 5 В. При напряжении питания 3 В открытые стоки выходов через подтягивающие резисторы можно подключать к шине 5 В.

При использовании подобных схем, однако, следует принимать во внимание один существенный момент. Использование выходных нагрузочных резисторов в цепях стоков увеличивает ток, потребляемый устройством, поскольку на резисторах рассеивается заметная мощность. Кроме того, от сопротивления этих резисторов зависят времена нарастания и спада.

Преобразование высокого уровня в низкий

В категорию предназначенных для этого микросхем входят устройства с защитными диодами и токоограничивающими резисторами на входах, а также устройства, входы которых имеют защиту от повышенного напряжения.

Когда напряжение питания драйвера превышает напряжение питания приемника, выходной уровень драйвера необходимо снижать, чтобы привести в соответствие с порогом переключения приемника (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Трансляция высокого уровня в низкий.

Это защищает входы приемника от повышенных и пониженных входных напряжений, а также от перегрузки по току. Выходное сопротивление драйвера должно быть согласовано с импедансом кабеля или печатного проводника таким образом, чтобы исключить отражения со стороны приемника. Интегрированная защита от электростатических разрядов помогает также подавлять нежелательные выбросы, обусловленные перенапряжениями на проводниках печатной платы.

Устройства с защитными диодами и токоограничивающими резисторами на входах

На входах некоторых логических схем имеются диоды, подключенные к шинам V_CC и «земля» (Рисунок 5). Эти диоды предназначены для защиты входов от чрезмерных напряжений и электростатических разрядов. Если КМОП устройства имеют на входах резисторы для ограничения тока, входное напряжение может превышать разрешенное в справочных данных до тех пор, пока входной ток не достиг максимально допустимого значения.

Рисунок 5.	Использование токоограничительного резистора для преобразования высокого уровня в низкий.

Нередко, и, прежде всего, в промышленных и автомобильных приложениях, логические устройства требуется подключать к схемам, напряжение питания которых намного превышает 5 В. В таких случаях следует выбирать логические элементы с входными защитными диодами и использовать резисторы для ограничения тока. Защитные диоды, подключенные к шине V_CC, имеются на входах выпускаемых NXP микросхем семейств LV, HC и HEF. Эти микросхемы при добавлении на входы токоограничивающих резисторов можно использовать для трансляции высоких уровней в низкие.

Устройства с входами, устойчивыми к перегрузкам по напряжению

Новые схемотехнические решения в области защиты входов от электростатических разрядов не содержат диодов, подключенных к шинам V_CC и «земля» (Рисунок 6). На входы таких микросхем можно подавать любое напряжение, не выходящее за пределы, определяемые особенностями технологического процесса, использованного при их производстве, и иметь при этом гарантию отсутствия путей протекания тока в шину V_CC. Это значит, что, не нарушая работу устройства, к входам могут быть приложены логические уровни, превышающие напряжение питания.

Рисунок 6.	Устойчивые к перегрузкам по напряжению входы, не имеющие защитных диодов.

Поскольку в устройствах с входами, устойчивыми к повышенным входным напряжениям, входное напряжение может превышать напряжение питания V_CC, а размах выходного сигнала не выходит за пределы V_CC, подобные приборы очень удобно использовать для преобразования высоких уровней в низкие. Микросхемы в семействах LVC, LVT, ALVT и AHC имеют входы, выдерживающие напряжение до 5.5 В, при условии соблюдения ограничений по входным токам. На входы микросхем серий AUP и AVC допускается подавать напряжение до 3.6 В, что позволяет использовать их в устройствах со смешанным питанием 1.8 и 3.3 В.

Заключение

При разработке систем нередко возникает необходимость в однонаправленном преобразовании высоких уровней напряжения в низкие или низких в высокие. Хорошим инструментом для решения этой задачи часто могут быть микросхемы стандартной логики. Для однонаправленной трансляции подходят логические микросхемы многих семейств, имеющие

• входы с низкими пороговыми напряжениями,
• выходы с открытым стоком,
• входы с уровнями TTL,
• входные защитные диоды,
• токоограничивающие резисторы на входах,
• входы, устойчивые к повышенному напряжению.

В результате системы со смешанным питанием могут работать, не подвергаясь риску возникновения разрушительных токов или потери сигналов. При этом эффективность систем повышается, а потребляемая мощность снижается.