Dwukierunkowy konwerter – translator poziomów logicznych

Do czego może służyć pokazany na rysunku tytułowym, prościutki układ z MOSFET-em?

Jest to ogromnie pożyteczny dwukierunkowy konwerter, translator poziomów logicznych. Tego rodzaju konwertery są często stosowane zarówno przez profesjonalistów, jak i hobbystów w systemach, gdzie występują układy zasilane napięciami 3,3V oraz 5V, a także innymi. W związku z obniżaniem napięć zasilania, takie konwertery są też stosowane przy niższych napięciach zasilania, już od 1 wolta.

Układ może wyglądać jak na rysunku 1. Na rysunku tym dodatkowo zaznaczona jest też pasożytnicza struktura diodowa obecna w każdym tranzystorze MOSFET. W konwerterze powinien być zastosowany MOSFET o niedużym napięcie progowym U_GSth. „Klasyczne” MOSFETy mocy starego typu mają napięcie progowe włączania od 2V do 4V. MOSFET-y małej mocy oraz wiele współczesnych MOSFET-ów dużej mocy ma znacznie niższe napięcie progowe. W konwerterze trzeba zastosować MOSFET o napięciu progowym co najwyżej 2V.

 

Konwerter jest dwukierunkowy. Rysunek 2 pokazuje sytuację przy podłączeniu do punktu A wyjścia, na którym panuje stan wysoki. Tranzystor T1 jest zatkany i w układzie konwertera nie płyną żadne prądy. W obwodzie wejścia bramki CMOS, zasilanej napięciem 5V nie płynie prąd, nie ma spadku napięcia na rezystorze R2, więc na wyjściu D panuje napięcie +5V. Jest to czysty stan wysoki.

Rysunek 3 pokazuje sytuację w przypadku, gdy w punkcie A występuje stan niski. Wtedy MOSFET T1 jest w pełni otwarty, jego rezystancja R_DSon jest pomijalnie mała w porównaniu z rezystancją R2, więc spadek napięcia między drenem i źródłem przewodzącego T1 jest pomijalnie mały. W punkcie D występuje czysty stan niski.

Przy pracy konwertera w drugim kierunku jest podobnie. Rysunek 4 pokazuje, że przy podaniu na punkt D stanu wysokiego  nie płyną żadne prądy. Nie ma też spadku napięcia na rezystorze R1, więc napięcie U_GS MOSFET-a T1 jest równe zeru i jest on zatkany. W punkcie A występuje napięcie dokładnie takie jak w punkcie B – jest to czysty stan wysoki dla układu zasilanego napięciem 3,3V.

Najciekawsza jest sytuacja w przypadku, gdy na punkt D podany zostanie czysty stan niski. W pierwszej kolejności da o sobie znać pasożytnicza dioda zawarta w strukturze MOSFET-a. Zacznie ona przewodzić, co można byłoby przedstawić jak na rysunku 5. Napięcie około +0,7V na wejściu CMOS układu zasilanego napięciem 3,3V niewątpliwie jest traktowane jako stan niski. Warto przypomnieć, że dla układów CMOS standardowo przyjmuje się, że stan logiczny niski to napięcia 0…30% napięcia zasilania, a stan wysoki to 70…100% napięcia zasilania. A więc dla zasilania 3,3V stan niski to napięcia 0…0,99V, wysoki: 2,31…3,3V.

Jednak w rzeczywistości podczas pracy napięcie w punkcie A będzie niższe, niż pokazuje rysunek 5. Otóż stan otwarcia MOSFET-a zależy od jego napięcia U_GS. W przypadku MOSFET-a N jego otwarcie jest spowodowane przez napięcie U_GS (na bramce dodatnie względem źródła). Co ważne, MOSFET pozostaje otwarty niezależnie od kierunku przepływu prądu, byle tylko odpowiednio duże było otwierające go napięcie U_GS. Jak widać, nawet w sytuacji z rysunku G, napięcie U_GS wynosiłoby około 2,6V, co otworzy T1. Pomimo „niewłaściwego” kierunku przepływu prądu, rezystancja R_DS przewodzącego MOSFET-a będzie mała i ta mała rezystancja spowoduje, że napięcie w punkcie A będzie bliskie zeru, jak pokazuje rysunek 6. Prąd będzie płynął przez otwarty tranzystor, a nie przez jego pasożytniczą diodę.

Wnikliwi Czytelnicy zapewne będą się zastanawiać, jakie powinna być wartość napięcia progowego tranzystora T1, by uzyskać optymalne właściwości konwertera.

Można powiedzieć, że w sytuacji z rysunków 2, 3, MOSFET powinien zaczynać się otwierać przy napięciu w punkcie B równym połowie napięcia zasilania 3,3V, by przy połowie napięcia zasilania 3,3V w punkcie A, także w punkcie B napięcie było równe połowie wyższego napięcia zasilania. Aby tak było, jak pokazuje rysunek 7, napięcie progowe MOSFET-a powinno wynosić około 1,65V.

Pożądane jest, żeby przy przekazywaniu danych w przeciwnym kierunku było tak samo: połowa napięcia wyższego napięcia zasilania w punkcie D powinna skutkować pojawieniem się połowy niższego napięcia zasilania w punkcie A. Jednak jest to niemożliwe. Jak pokazuje rysunek 8, nawet przy nasyconym tranzystorze T1, napięcie w punkcie A nie może być niższe niż 2,5V.

Praktyczne rozważania wskazują, że wielkość napięcie progowego MOSFET-a ma nieduże znaczenie, byle nie było wyższe niż 2V.

Analizowany układ może być i jest używany do współpracy z wyjściami typu otwarty kolektor (otwarty dren) według rysunku 9, a konkretnie w układach z bardzo popularnymi układami z interfejsem I2C (TWI).

W układach I2C obwody wyjściowe mają postać pojedynczych tranzystorów, zwierających linie SCL i SDA do masy, ale interfejs I2C zawiera także obwody wejściowe (rysunek 10), które zwykle nie tolerują na liniach napięć wyższych niż ich napięcie zasilania.

Wtedy potrzebny jest konwerter, który może mieć postać jak na rysunku 11.

W przypadku gdy napięcie zasilające obwody 5V może być wyłączane, w materiałach Philips (NXP) proponowany jest konwerter według rysunku 12.

Ponadto produkowane są bardziej skomplikowane scalone konwertery poziomów do obwodów I2C, które dodatków zawierają obwody, poprawiające stromość zboczy impulsów, co związane jest z koniecznością przeładowania wszelkich pojemności pasożytniczych linii I2C. Rysunek 13 pokazuje wewnętrzny schemat blokowy takiego scalonego konwertera (MAX14611) z dodatkowymi uniwibratorami (one-shot) i tranzystorami podciągającymi.

Rysunek 14 przedstawia dwa inne przykłady kostek TI.

Oprócz różnych układów scalonych, powszechnie dostępne są też gotowe moduły prostych kilkukanałowych konwerterów z tranzystorami MOSFET – przykład na fotografii 15.

Trudno znaleźć podobne translatory z pojedynczym tranzystorem bipolarnym. Zapewne dlatego, że współczesne tranzystory bipolarne słabo nadają się do pracy inwersyjnej (w przeciwieństwie do niektórych starych tranzystorów dawnego Związku Radzieckiego, które niemal tak samo dobrze pracowały także po zamianie miejscami emitera  i kolektora). Niemniej w Internecie można jednak znaleźć schematy konwerterów poziomu (level shifter) z dwoma tranzystorami bipolarnymi – przykład na rysunku 16.

 

Piotr Górecki