Principi base della traslazione di livello logico

Panoramica

I nuovi progetti di dispositivi digitali si fanno sempre più piccoli, più veloci e più efficienti. La logica di base a 5 V è affiancata da standard di tensione sempre più bassi, come 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V e anche meno, per cui serve una metodologia che permetta ai sistemi disaccoppiati di comunicare in modo affidabile ed efficiente. I progettisti devono avere la certezza che sia possibile ottenere in modo prevedibile un 1 logico o uno 0 logico su queste piattaforme.

La traslazione/l'isolamento tra tensioni logiche binarie o a due stadi favorisce un comportamento prevedibile del circuito. I progettisti potrebbero pensare che un segnale di 3,3 V su un pin di 5 V "dovrebbe funzionare", ma questo non accade sempre in tutte le condizioni. Per contro, è certo che 5 V su un pin tollerante a 3,3 V e 5 V funziona nella maggior parte dei casi, ma questo metodo è più costoso perché richiede componenti aggiuntivi e, in alcuni casi, "spreca" la tensione in eccesso.

Esiste un'alternativa?

I traslatori e i dispositivi di traslazione di livello attivi risolvono i comuni problemi di traslazione e possono inoltre fornire funzioni aggiuntive utili come l'inversione, l'uscita push-pull, il tristate o la funzionalità differenziale. Ma che dire di qualcosa di meno complesso che permetta livelli di tensione logica più ampi e una comunicazione bidirezionale? Un MOSFET discreto e compatto può realizzare la traslazione ad alta frequenza e alta efficienza. Con l'aggiunta di alcuni dispositivi passivi, questi semiconduttori poco costosi sono in grado di effettuare la traslazione di livello per la comunicazione, come la connessione I²C e quella diretta da pin a pin GPIO. Scegliendo i MOSFET giusti si possono ottenere tensioni logiche più alte, come 12 V o 18 V, che, ad esempio, possono essere utilizzate anche per il monitoraggio dei circuiti automotive.

Nota: I²C in modalità Hs (alta velocità) potrebbe richiedere componenti più raffinati come il traslatore bidirezionale PCA9306 di NXP.

Esempio: BS170 (transistor a effetto di campo in modalità potenziata a canale N)

BS170 è progettato per ridurre al minimo la resistenza nello stato On, fornendo al contempo prestazioni di commutazione affidabili e veloci, adatte ad applicazioni di commutazione a bassa tensione e bassa corrente. La Figura 1 mostra le connessioni necessarie per eseguire la comunicazione di base o la traslazione di livello logico GPIO.

Figura 1: Circuito MOSFET di base, a bus singolo, a traslazione di livello

I livelli logici alti su ciascun lato del MOSFET si ottengono tramite resistori pull-up alle rispettive alimentazioni che forniscono la conversione di segnali I²C in modalità veloce (400 kHz) o altre interfacce digitali con velocità analoghe. Il gate del MOSFET è tenuto al livello di alimentazione a bassa tensione. Quando nessun dispositivo sta abbassando la linea di potenza, quella alla sorgente del MOSFET viene alzata dai resistori pull-up a bassa tensione. La tensione gate/source (VGS) del MOSFET è sotto la soglia e il MOSFET non conduce. Questo consente alla linea di potenza sul drain del MOSFET di essere alzata dal resistore pull-up a tensione più alta. Le linee di potenza su ciascun lato del MOSFET sono mantenute ALTE ma a diversi livelli di tensione. Vedere la Figura 2.

Figura 2: Traslazione di tensione ALTA logica

Se il dispositivo a bassa tensione abbassa la linea di potenza alla sorgente del MOSFET e il gate rimane sull'alimentazione a bassa tensione, la VGS sale oltre la soglia e il MOSFET inizia a condurre. Anche la linea di potenza sul drain del MOSFET ora viene abbassata. Vedere la Figura 3.

Figura 3: Traslazione di BASSA tensione logica avviata dal dispositivo a bassa tensione

Se il dispositivo ad alta tensione abbassa la linea di potenza sul drain del MOSFET, il diodo del substrato del MOSFET permette anche alla sorgente di essere parzialmente abbassata, a causa di una piccola caduta di tensione attraverso il diodo. Vedere la Figura 4.

Figura 4: Traslazione di BASSA tensione quasi logica avviata dal dispositivo ad alta tensione

Quando la sorgente del MOSFET è parzialmente abbassata, la VGS sale sopra la soglia e il MOSFET inizia a condurre bypassando in modo efficace il diodo del substrato. Vedere la Figura 5.

Figura 5: Traslazione di BASSA tensione logica completa avviata dal dispositivo ad alta tensione

I tre stati mostrano i livelli logici trasferiti in entrambe le direzioni del sistema bus, indipendentemente dalla sezione di pilotaggio. A seconda delle capacità del MOSFET, sono possibili molte combinazioni di alimentazione ad alta e bassa tensione. Se il conflitto di livello logico coinvolge il GPIO punto-punto, l'uscita del sensore o la comunicazione multilinea bidirezionale, i traslatori di livello MOSFET sono strumenti utili. La Figura 5 illustra l'implementazione di un circuito di comunicazione bidirezionale, a due linee, traslato utilizzando due MOSFET.

Figura 6: Circuito di comunicazione dati traslato bidirezionale a due linee

Isolamento

Per impedire livelli logici casuali nel caso in cui il dispositivo ad alta tensione sia spento o si verifichi una perdita di energia nell'alimentazione ad alta tensione, si possono implementare ulteriori MOSFET "drain-drain" per isolare le linee di potenza logica ad alta tensione.

Figura 7: Linee di potenza isolate in un circuito di comunicazione dati traslato

Schede di sviluppo

Per ulteriori informazioni sulla traslazione di livello logico, diversi produttori offrono schede di sviluppo popolate con MOSFET o dispositivi di traslazione logica, oltre ai dispositivi passivi periferici necessari per consentire la connessione e la sperimentazione rapida.

Riepilogo

Per il successo di questo semplice ma efficace metodo di traslazione logica, è fondamentale scegliere il MOSFET e il resistore pull-up corretti. Le tipiche schede tecniche dei dispositivi contengono le informazioni richieste per la sperimentazione. I resistori pull-up per BS170 nell'intervallo da 4,7 a 10 kΩ possono funzionare bene nella maggior parte dei casi. I circuiti integrati dedicati dei convertitori di livello logici possono fornire anche caratteristiche extra come la protezione ESD a 15 kV sugli ingressi di I/O e di tensione di alimentazione.