Bi - 전자 2025

ENIAC 시대에 컴퓨터는 본질적으로 아날로그가 더 많았고 디지털 IC를 거의 사용하지 않았습니다. 오늘날 평균적인 Joe의 컴퓨터는 여러 전압 레벨에서 작동합니다. CPU의 SMPS를 본 사람들은 컴퓨터가 작동하는 데 ± 12V, + 5V 및 + 3.3V가 필요하다는 것을 알았습니다. 이러한 전압 레벨은 컴퓨터에 매우 중요합니다. 특정 전압은 신호의 상태 (높음 또는 낮음)를 결정합니다. 이 높은 상태는 컴퓨터에서 바이너리 1로, 낮은 상태는 바이너리 0으로 허용됩니다. 0 및 1 조건에 따라 컴퓨터는 필요한 출력을 제공하기위한 데이터, 코드 및 명령을 생성합니다.

최신 로직 전압 레벨은 1.8V에서 5V까지 다양합니다. 표준 로직 전압은 5V, 3.3V, 1.8V 등입니다. 그러나 5V 로직 레벨 (예: Arduino)로 작동하는 시스템 또는 컨트롤러는 3.3V (예: ESP8266) 또는 다른 전압으로 작동하는 다른 시스템과 어떻게 통신합니까? 수평? 이 시나리오는 여러 마이크로 컨트롤러 또는 센서가 사용되는 많은 설계에서 자주 발생하며 여기에서 솔루션은 로직 레벨 변환기 또는 로직 레벨 시프터 를 사용하는 것 입니다. 이 기사에서는 로직 레벨 컨버터에 대해 자세히 알아보고 회로 설계에 유용한 MOSFET 을 사용하여 간단한 양방향 로직 레벨 컨버터 회로를 구축 할 것입니다.

고수준 및 저수준 입력 전압

그러나 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컨트롤러 측에서 논리 전압 레벨 값은 고정되어 있지 않습니다. 약간의 관용이 있습니다. 예를 들어, 5V 로직 레벨 마이크로 컨트롤러에 허용되는 로직 하이 (로직 1)는 최소 2.0V (최소 하이 레벨 입력 전압)에서 최대 5.1V (최대 하이 레벨 입력 전압)까지입니다. 마찬가지로 로직 로우 (로직 0)의 경우 허용되는 전압 값은 0V (최소 로우 레벨 입력 전압)에서 최대 8V (최대 로우 레벨 입력 전압)까지입니다.

위의 예는 5V 로직 레벨 마이크로 컨트롤러에 해당되지만 3.3V 및 1.8V 로직 레벨 마이크로 컨트롤러도 사용할 수 있습니다. 이러한 유형의 마이크로 컨트롤러에서 로직 레벨 전압 범위는 다양합니다. 특정 컨트롤러 IC의 데이터 시트에서 관련 정보를 얻을 수 있습니다. 전압 레벨 변환기를 사용할 때 고전압 값과 저전압 값이 이러한 매개 변수의 한계 내에 있도록주의해야합니다.

양방향 로직 레벨 컨버터

애플리케이션 및 기술 구조에 따라 두 가지 유형의 레벨 시프터 (단방향 로직 레벨 컨버터 및 양방향 로직 레벨 컨버터)를 사용할 수 있습니다. 단방향 레벨 컨버터에서 입력 핀은 한 전압 도메인 전용이고 출력 핀은 다른 전압 도메인 전용이지만, 양방향 레벨 컨버터의 경우는 그렇지 않아 양방향으로 로직 신호를 변환 할 수 있습니다. 양방향 레벨 컨버터의 경우 각 전압 도메인에는 입력 핀뿐만 아니라 출력 핀도 있습니다. 예를 들어 입력 측에 5.5V를 제공하면 출력 측에서 3.3V로 변환되고, 마찬가지로 출력 측에 3.3V를 제공하면 입력 측에서 5V로 변환됩니다.

이 튜토리얼에서는 간단한 양방향 레벨 변환기를 빌드하고 High to Low 변환 및 Low to High 변환 을 테스트합니다.

간단한 양방향 로직 레벨 변환기

간단한 양방향 로직 컨버터 회로가 아래 이미지에 나와 있습니다.

이 회로는 n 채널 MOSFET을 사용하여 저전압 로직 레벨을 고전압 로직 레벨로 변환합니다. 저항성 전압 분배기를 사용하여 간단한 로직 레벨 컨버터를 구축 할 수도 있지만 전압 손실이 발생합니다. MOSFET 또는 트랜지스터 기반 로직 레벨 컨버터는 전문적이고 신뢰할 수 있으며 통합하기에 더 안전합니다.

회로는 또한 두 개의 추가 구성 요소 인 R1과 R2를 사용합니다. 그것들은 풀업 저항입니다. 부품 수가 가장 적기 때문에 비용 효율적인 솔루션이기도합니다. 위의 회로에 따라 간단한 3.3V ~ 5V 양방향 로직 컨버터가 구성됩니다.

MOSFET을 사용하는 5V ~ 3.3V 레벨 컨버터

3.3V 양방향 로직 레벨 변환에 5V 회로는 아래의 화상에서 볼 수있다 -

보시다시피 저항 R1 및 R2에 5V 및 3.3V의 정전압을 제공해야합니다. Low_side_Logic_Input 및 High_Side_Logic_Input 핀 은 입력 및 출력 핀으로 상호 교환하여 사용할 수 있습니다.

위의 회로에 사용 된 구성 요소는

R1-4.7k

R2-4.7k

Q1-BS170 (N 채널 MOSFET).

두 저항은 모두 1 % 내성입니다. 허용 오차가 5 % 인 저항도 작동합니다. BS170 MOSFET 의 핀아웃은 드레인, 게이트 및 소스 순서로 아래 이미지에서 볼 수 있습니다.

회로 구성은 각각 4.7k의 2 개의 풀업 저항으로 구성됩니다. MOSFET의 드레인 및 소스 핀은 로우에서 하이로 또는 하이에서 로우로 로직 변환을 위해 원하는 전압 레벨 (이 경우 5V 및 3.3V)까지 풀업됩니다. R1과 R2는 풀업 저항으로 만 작동하므로 1k에서 10k 사이의 값을 사용할 수도 있습니다.

완벽한 작동 상태를 위해 회로를 구성하는 동안 충족되어야하는 두 가지 조건이 있습니다. 첫 번째 조건은 로우 레벨 로직 전압 (이 경우 3.3V)이 MOSFET의 소스에 연결되어야하고 하이 레벨 로직 전압 (이 경우 5V)이 MOSFET의 드레인 핀에 연결되어야한다는 것입니다. 두 번째 조건은 MOSFET의 게이트를 저전압 전원 (이 경우 3.3V)에 연결해야한다는 것입니다.

양방향 로직 레벨 컨버터 시뮬레이션

로직 레벨 시프터 회로 의 완전한 작동은 시뮬레이션 결과를 사용하여 이해할 수 있습니다. 아래 GIF 이미지에서 볼 수 있듯이 하이 레벨에서 로우 레벨로의 로직 변환 중에 로직 입력 핀은 5V와 0V (접지) 사이에서 이동되고 로직 출력은 3.3V와 0V로 획득됩니다.

마찬가지로 로우 레벨에서 하이 레벨로 변환하는 동안 로직 입력은 3.3V와 0V 사이에 있으며 아래 GIF 이미지와 같이 5V와 0V의 로직 출력으로 변환됩니다.

로직 레벨 변환기 회로 작동

이 두 가지 조건을 충족 한 후 회로는 세 가지 상태로 작동합니다. 상태는 아래에 설명되어 있습니다.

로우 사이드가 로직 1 또는 하이 상태 (3.3V) 일 때.
로우 사이드가 로직 0 또는 로우 상태 (0V)에있을 때.
High 측이 상태를 1에서 0 또는 high에서 low (5V ~ 0V)로 변경하는 경우

로우 사이드가 높으면 MOSFET의 소스 전압이 3.3V임을 의미하며 MOSFET의 Vgs 임계점에 도달하지 못하기 때문에 MOSFET이 전도되지 않습니다. 이 시점에서 MOSFET의 게이트는 3.3V이고 MOSFET의 소스도 3.3V입니다. 따라서 Vgs는 0V입니다. MOSFET이 꺼져 있습니다. 로우 측 입력의 로직 1 또는 하이 상태는 풀업 저항 R2를 통해 MOSFET의 드레인 측에 5V 출력으로 반영됩니다.

이 상황에서 MOSFET의 로우 사이드가 하이에서 로우로 상태를 변경하면 MOSFET이 전도되기 시작합니다. 소스는 논리 0에 있으므로 높은 쪽도 0이됩니다.

위의 두 조건은 저전압 논리 상태를 고전압 논리 상태로 성공적으로 변환합니다.

또 다른 작동 상태는 MOSFET의 하이 사이드가 하이에서 로우로 상태를 변경할 때입니다. 드레인 기판 다이오드가 도통하기 시작하는 시간입니다. MOSFET 로우 사이드는 Vgs가 임계점을 통과 할 때까지 낮은 전압 레벨로 풀다운됩니다. 저전압 및 고전압 섹션의 버스 라인은 동일한 전압 레벨에서 낮아졌습니다.

변환기의 스위칭 속도

로직 레벨 컨버터를 설계 할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 매개 변수는 전환 속도입니다. 대부분의 로직 컨버터는 USART, I2C 등과 같은 통신 버스간에 사용되기 때문에 로직 컨버터가 통신 라인의 전송 속도와 일치하도록 충분히 빠르게 (전환 속도) 전환하는 것이 중요합니다.

전환 속도는 MOSFET의 스위칭 속도와 동일합니다. 따라서 BS170 데이터 시트에 따르면 MOSFET의 턴온 시간과 MOSFET의 턴 오프 시간이 아래에 나와 있습니다. 따라서 로직 레벨 컨버터 설계에 적합한 MOSFET 을 선택하는 것이 중요합니다.

따라서 여기에서 MOSFET을 켜려면 10nS를, 끄려면 10nS가 필요합니다. 즉, 1 초에 10,00,000 번 켜고 끌 수 있습니다. 우리의 통신 회선이 초당 115200 비트의 속도로 작동한다고 가정하면 1 초에 1,15,200 비트 만 꺼졌다는 의미입니다. 따라서 우리는 높은 전송 속도 통신에도 장치를 매우 잘 사용할 수 있습니다.

논리 변환기 테스트

회로를 테스트하려면 다음 구성 요소와 도구가 필요합니다.

두 가지 전압 출력이있는 전원 공급 장치.
2 개의 멀티 미터.
2 개의 촉각 스위치.
연결 용 전선이 거의 없습니다.

회로를 테스트하기 위해 회로도가 수정됩니다.

위의 회로도에서 두 개의 추가 촉각 스위치가 도입되었습니다. 또한 로직 전환을 확인하기 위해 멀티 미터가 부착되어 있습니다. SW1을 누르면 MOSFET의 로우 사이드가 하이에서 로우로 상태가 변경되고 로직 레벨 컨버터는 저전압에서 고전압으로의 로직 레벨 컨버터로 작동합니다.

반면에 SW2를 누르면 MOSFET의 하이 사이드가 하이에서 로우로 상태가 변경되고 로직 레벨 변환기는 고전압에서 저전압으로의 로직 레벨 변환기로 작동합니다.

회로는 브레드 보드로 구성되고 테스트됩니다.

위의 그림은 MOSFET의 양쪽에 걸친 로직 상태를 보여줍니다. 둘 다 논리 1 상태입니다.

전체 작동 비디오는 아래 비디오에서 볼 수 있습니다.

로직 레벨 변환기의 한계

회로에는 확실히 몇 가지 제한이 있습니다. 한계는 MOSFET 의 선택에 따라 크게 달라집니다. 최대 전압과 드레인 전류가 이 회로에 사용될 수는 MOSFET의 사양에 의존한다. 또한 최소 논리 전압은 1.8V입니다. 1.8V 미만의 로직 전압은 MOSFET의 Vgs 제한으로 인해 제대로 작동하지 않습니다. 1.8V보다 낮은 전압의 경우 전용 로직 레벨 컨버터를 사용할 수 있습니다.

중요성 및 응용

소개 부분에서 논의했듯이 디지털 전자 장치의 호환되지 않는 전압 레벨은 인터페이스 및 데이터 전송에 문제가됩니다. 따라서 회로의 전압 레벨 관련 오류를 극복하려면 레벨 변환기 또는 레벨 시프터가 필요합니다.

전자 제품 시장과 다양한 전압 레벨 마이크로 컨트롤러에서 광범위한 로직 레벨 회로 를 사용할 수 있기 때문에 로직 레벨 시프터 는 놀라운 사용 사례를 가지고 있습니다. I2C, UART 또는 오디오 코덱을 기반으로 작동하는 여러 주변 장치 및 레거시 장치 에는 마이크로 컨트롤러와의 통신을 위해 레벨 변환기가 필요합니다.

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