Van pár szintillesztő megoldás, amivel nap mint nap találkozhatunk. A logikai szintillesztés egyik legfontosabb kulcsának én azt tartom, hogy a célra válasszunk szintillesztő megoldást, és ne mindig a megszokás vezérelje a tervezőt.

Célhoz kötöttség

Azért fontos a kívánt célhoz választani illesztő megoldást, hogy olcsóbb és egyszerűbb legyen. Vizsgálandó elvek:

- Kell-e push-pull (vagy totem-pole*) kimenet, vagy egy open-collector (open-drain) vonalat kell illeszteni

- Milyen órajel / frekvencia a megkívánt, pár Hz, pár száz KHz vagy megahertz-ek

- Kimeneti impedancia amire szükség van

- Kell-e kétirányú illesztés. A kétirányúság automatikus-e, vagy vezérelt

* totem-pole: a totem-pole nem egyenértékű a push-pull megoldással. A totem-pole megoldás régebben sűrűn használt megoldás volt, ugyanis a totem-pole kialakítás két NPN tranzisztorból épül fel, míg a push-pull az egy PNP-NPN párosból. Azért csak régen volt jelentősége, mert amíg a félvezető gyártás gyerekcipőben járt, addig sokkal egyszerűbb volt NPN struktúrát létrehozni, mint PNP-t (ezért is volt drágább a PNP tranzisztor). Mára már ez a határ elmosódott / eltűnt, olcsóbb és egyszerűbb PNP-NPN párost alkalmazni, mint a totem-pole hajtáshoz plusz tranzisztorokat, vagy plusz PN átmenetet (diódát) használni. Főleg úgy nincs mára már totem-pole, mert szinte minden hasonló célú kimenet push-pull MOSFET-ből áll, sokszor közös hordozón, közös SiO₂ dielektrikummal "egy alkatrészként" összegyógyítva, majd CMOS komplementer kimenetnek elnevezve.

Kétirányúság

Az automatikus kétirányú megoldásoknál nincs irányt meghatározó bemenet, DIR pin, vagy hasonló. Felépítéséből eredően automatikusan "veszi észre", hogy melyik a kényszerítő-meghajtó oldal, és melyik a bemeneti oldal. 

A nem automatikus megoldások esetén van irányt meghatározó DIR pin. Ezen megoldások rendszerint nagyobb átviteli sebességet tesznek lehetővé, jóval nagyobb jelmeredekséggel (slew-rate), hiszen belül minden logikai jelszint domináns jelszint (direkt meghajtott), nincs recesszív állapot (ellenállással "mozgatott"). Domináns-recesszív állapot, hasonlóan, mint a CAN-busznál (a CAN-buszról majd értekezünk még egy másik Egyperces részben).

Input-output jelek az alábbi rajzokon

A könnyen érthetőség kedvéért nyilakkal jelöltem az áramirányokat. 5V output olyan kimenetet jelent, mely 5V-os jelszintet ad. Ilyen például egy 5V-os mikrovezérlő. A 3.3V input olyan bemenetre kötendő, mely 3.3V-os logikai jelszinttel dolgozik. A jelölés tehát az a kimenetfajta, ahonnan a jel származik. A nyíl pedig a jel irányát jelenti, hogy honnan-hova konvertálás történik.

Az egyirányú feszültségosztó

A feszültség osztó a legegyszerűbb egyirányú szintillesztő.

Az osztás értelem szerűen csak magasabb feszültségszintről alacsonyabb feszültség szint felé egyirányban működik. Osztó számolása Ohm-törvénye, feszültségosztó szerint.

Egyszerű open-drain vagy open-collector invertáló szintillesztés

Ezt mindenki ismeri, így hajtunk reléket, nagyfogyasztókat, stb.

 

Nyugalmi helyzetben (0V a bal oldalon, a 3.3V kimeneti szintet produkáló eszköztől) a jobb oldalon kimeneten az 5V logikai szintet váró ponton 5V jelszintet ad. A bal oldalon 3.3V-os kimenet aktív (3.3V kimenet) esetén pedig, a jobb oldali 5V-os oldalon 0V jelszint jelentkezik. Kimenete open-collector jellegű.

Egyszerű open-drain, vagy open-collector nem-invertáló szintillesztés

Ez már általánosságban kevésbé használt, mert "bonyolult".

Itt már nem negált a kimenet. Amennyiben a 3.3V-os logikai igaz szintet adó mikrovezérlő kimeneti lába aktív, úgy az áramkör jobb oldala is 5V-os logikai igaz szintet ad ki. Kimenete open-collector jellegű.

Egy irányú diódás szintillesztő

A diódás szintillesztés egyszerű egyirányú illesztés. Megépíthető oda-vissza konvertálási céllal is, ám ebben az esetben a két irány kialakítása eltérő.

Az "A" megoldás 5V-os logikai jelszintet szolgáltató kimenetet illeszt 3.3V-os bemeneti jelszintet váró eszközhöz. Ha a bal oldal 5V, akkor a jobb oldal 3.3V, ha a bal oldal 0V akkor a kimenet 0.6V (dióda nyitófeszültség távolság).

A "B" megoldás (ősrégi Microchip DS41285A application note megoldása, 2008) pedig 3.3V-os logikai jelszintet adó kimenetet illeszt 5V-os bemenetre. Ha a bal oldalra csatlakozó 3.3V-os kimenetet adó eszköz 3.3V-ot ad, akkor a 4K7-el felhúzott 3.9V-ot (3.3V+0.6V) ami már 5V-os logikai szintek esetén igaz (5V CMOS már 3.5V felett logikai igaz), míg a bal oldalon 0V a kimeneten 0.6V-ot ad (5V CMOS már 1.5V alatt logikai hamis). Kimenete open-collector jellegű.

Szerzői jótanács: Egyik diódásat se használd. XXI. század van, sok jobb megoldás van már, ami nem határra tervez.

Impedancia-szabályzott szintillesztő, Zener szintillesztő

Az impedancia-szabályzott szintillesztő azt használja ki, hogy vagy az IO-ba épített védődiódák, vagy a külön kialakított védődiódák megfogják a bemeneti feszültséget például 3.3V és 0V között. Azért tudják megfogni, mert az odavezetés impedanciája annyira nagy, hogy az 5V-os érkező jelszint nem tudja felhúzni a dióda miatt a lábat.

A két schottky dióda megvédi a 3.3V-os bemeneti oldalt, hogy az 5V-os kimenet ne tudja felhúzni. Az alsó schottky dióda igazából elhagyható, viszont szándékkal rajzoltam be, ugyanis így sokaknak ismerős lehet ez a dióda elrendezés, mikrovezérlők IO-jának védődiódájaként. Azok ugyanis használhatók szintillesztési célra is, ha megfelelően alacsony szinten tartjuk a befolyó áramot. Magas befolyó áram egyrészt a diódát károsítja, másrészt pedig felhúzza magát a 3.3V-os tápfeszültséget is.

A soros ellenállás az áramkorlátozó szerepet látja el. Jelen példában a 330R azt jelenti, hogy I = U/R = (5V-3.3V)/330R = 5.1mA maximum áramot enged be. Azaz maximum 5mA terheli a felső védődiódát. Adott esetben ez az érték nagy lehet, így 1K is bátran alkalmazható, ha kellően alacsony az adatátviteli sebesség, és nagyon alacsony a 3.3V-os bemeneti oldal kapacitása.

A 330R-nak akkor van jelentősége, amikor a Zéner diódás második megoldást alkalmazzuk, ugyanis a névleges letörési feszültséget 5mA ellenirányú előfeszítés mellett éri el a Zener dióda. A 3.3V fölötti feszültséget megfogja a Zener dióda a különbség pedig a Zener dióda és ellenállás pároson hővé alakul.

I²C, vagy TWI* egyszerű szintillesztése

Az I²C-t (I2C) relatíve könnyű szintilleszteni, mert open-drain kimenet felépítésű buszról van szó, így az illesztésnél az egyetlen közös potenciáljuk a GND, így csak a GND-re húzást kell megvalósítani. Viszont az egyik vonalnak (SDA, adatvonal) automatikusan kétirányúnak kell lennie. Az SCL órajel lábnál ha csak nem multi-master, akkor csak a master oldalról kell inputnak lennie, slave irányba open-drain is lehet és push-pull is lehet, de a protokoll open-draint ír elő.

A működése egyszerű, sok Arduino kedvelő találkozhatott vele, mert ott szeretik használni az Arduino 5V-os jelszintje és a szinte minden más 3.3V-os jelszintje miatt. Sokszor a használó nem is tudja, mert a távolkeleti kollégák rácsempészik már alapból a kínai modulokra, hogy az IC-kből ne jöjjön ki azt azokat működtető füst a nem megfelelő 5V-os jelszint miatt.

Az "A" megoldás esetén a low-side (3.3V) vezérelt, és 5V oldal (high-side) a bemenet. A "B" megoldás ennek fordítottja. Viszont mindkét megoldás alkalmazható oda-vissza illesztésre. A felhúzó ellenállások értékei azért különböznek, mert az I2C szabvány meghatározza a felhúzó ellenállás értékét.

Négy irányt veszünk górcső alá az "A" rajz alapján:

- Low-side a vezérelt, alacsony jelszintű 0V: A bal oldal alacsony jelszintje esetén a MOSFET source lába 0V-ra kerül, a gate-je 3.3V-on van, így a drain lábát 0V-ra (source-ra) kapcsolja, így a jobb oldal 0V-on lesz.

- Low-side a vezérelt, magas jelszintű 3.3V: A bal oldal magas szintje egyezik a MOSFET gate feszültségével, így nem nyit ki a MOSFET, így az 5V-os jobb oldal logikai magas szinte van a 4K7-es felhúzó ellenállásnak köszönhetően.

- High-side a vezérelt, alacsony jelszintű 0V: A jobb oldalon 0V a MOSFET védődiódáján keresztül lehúzza a bal oldalt, így ott is 0V (+ védődióda nyitófeszültsége) lesz.

- High-side a vezérelt, magas jelszintű 5V: A jobb oldalon 5V nem mozdítja ki az áramkört a nyugalmi állapotból, így a bal oldalon is a felhúzó ellenállás miatt 3.3V marad.

Kétirányú működés ezen fentiek vegyes módja, ahol egyik irányban a MOSFET-ben található védődióda lép működésbe, a másik irányban pedig kinyitásra kényszerítjük a MOSFET-et. Kimenete open-drain jellegű.

Ennél a megoldásnál oda kell figyelni, hogy a gate-source kapacitás nagyon alacsony értékű legyen, lehetőleg 100pF alatt. Vagy másik irány esetén a gate-drain kapacitás, hiszen ha ezen kapacitások nagy-értékűek (tehát az alkalmazott MOSFET nagyáramú) akkor a jelmeredekségek nagyon rosszak lesznek (alacsony slew-rate), ugyanis meg kell várni míg feltöltődnek a parazita kapacitások a MOSFET-ben. A fizika itt is működik: nagy áramú MOSFET = vastag rétegszerkezet = nagyobb parazita kapacitások = rosszabb jelmeredekség.

* TWI: TWI igazándiból a licensz díjat fizetni nem akaró Philips I²C, de gyakorlati szempontból ugyan az, annak ellenére, hogy a TWI-ba belecsempésztek még extra funkciókat és kivették a 10-bites címzést, de véleményem szerint csak azért, hogy a Philips ne nyújtson be szabadalomjog megsértést az Atmel-el szemben, annak meg ne kelljen licensz díjat fizetnie az IP (Intellectual property - szellemi tulajdon) használat miatt minden egyes Atmel AVR-re.

Földelt Gate NMOS megoldások

Ilyen IC például a GTL2003 is, mely automatikus irányváltást biztosít, totem-pole kimenettel 0.8V-tól 5V-ig, egy tokban sok csatornával. Az IC már NRND (not recommended for new design) címkés az NXP-nél, persze ha valaki ismeri a lábazonos alternatíváját, írja meg nekem

Működését a speciálisan felépített közös gate NMOS-nak köszönheti.

Pufferek a 74HC, 74LV családból

Ezen megoldás esetén CMOS komplementer kimenetünk lesz, és egyirányú, de adott esetben DIR lábbal ellátva vezérelten kétirányúvá tehető.

74HC245/74HCT245 példa

Alapvetően ez egy 8 csatornás 3-state puffer IC, de mivel logikai alacsony és magas jelszint határai illeszkednek a 3.3V-os jelszinthez (bár a sima HC magas jelszintjének minimum értéke már közel van nagyon a 3.3V-hoz, de a tipikus érték 5V-ra 2.9V környékére adódik), mégis alkalmas a feladatra. Kifejezetten erre a célra készített LVCMOS verziója az SN74LVC8T245.

Kétirányú módot úgy valósít meg, hogy a DIR lába segítségével az adat irány megfordítható, kimenete push-pull.

Vannak más megoldások is, amik célspecifikusan 1-1 adatvonal illesztésére szolgálnak, ilyen például a következő is.

SN74LV1T34 cél puffer

Legfőképpen az LVCMOS (low-voltage CMOS) technológia hívta életre.

A sor az integrált megoldásokkal szinte a végtelenségig folytatható, számos level translator IC létezik már, csak a pénztárca szab határt ezeknek.

Pár példa:

- TXB0108PWR (8-bites, automatikus kétirányú illesztő)

- SN74LVC8T245PW (8-bites, irányváltással rendelkező)

- SN74LVC1T45 / 74LVC1T45 (1-bites, hasonló irányváltással rendelkező, Hp41C fórumtárs ajánlása)

- CD74AC623 (automatikus kétirányú üzemmóddal is rendelkező 8-bites tri-state szintillesztő, Sick-Bastard fórumtárs ajánlása)

Letölthető mellékletek

	74hc_hct245.pdf
	74lvc_lvch8t245.pdf
	74lvc1t45.pdf
	cd74ac623.pdf
	gtl2003.pdf
	sn74lv1t34.pdf
	txb0108.pdf