3.3V σε 5V αμφίδρομος μετατροπέας

χαμηλού κόστους

Το κύκλωμα που παρουσιάζεται είναι ένας αμφίδρομος μετατροπέας επιπέδου στάθμης λογικού σήματος. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεταφορά δεδομένων μεταξύ κυκλωμάτων που λειτουργούν με διαφορετικές τάσεις (πχ 3.3V και 5V), τόσο σε σειριακή επικοινωνία (SPI, I2C κλπ), όσο και σε παράλληλη, επαναλαμβάνοντας το κύκλωμα τόσες φορές όσα και τα σήματα. Λειτουργεί χωρίς προβλήματα σε χαμηλές συχνότητες (ως 1MHz), ενώ όσο αυξάνει η συχνότητα λειτουργίας θα πρέπει να γίνει έλεγχος των απαιτήσεων των κυκλωμάτων στους χρόνους ανόδου – καθόδου των παλμών.

Η λειτουργία του βασίζεται στη μεταβολή των καταστάσεων του τρανζίστορ nMOS καθώς αλλάζει η πόλωσή του. Αν το κύκλωμα εξόδου βρίσκεται σε υψηλή στάθμη τότε το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή και το κύκλωμα εισόδου βρίσκεται και αυτό σε υψηλή στάθμη λόγω της pull up αντίστασης. Αν το κύκλωμα εξόδου βρίσκεται σε χαμηλή στάθμη τότε το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση υψηλής αγωγιμότητας μεταφέροντας τη χαμηλή στάθμη στο κύκλωμα εισόδου. Αναλυτικά:

Υποθέτουμε ότι το κύκλωμα που λειτουργεί με τη χαμηλή τάση (πχ 3.3V) είναι το κύκλωμα εξόδου και το κύκλωμα που λειτουργεί με την υψηλή τάση (πχ 5V) είναι το κύκλωμα εισόδου.

• Αν η έξοδος βρίσκεται σε λογικό 1 τότε V_gs=0, το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή και το κύκλωμα εισόδου βρίσκεται και αυτό σε λογικό 1 λόγω της pull up αντίστασης.
• Αν βρίσκεται σε λογικό 0 τότε V_gs=3.3V, το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση υψηλής αγωγιμότητας και το κύκλωμα εισόδου βρίσκεται και αυτό σε λογικό 0 αφού του μεταφέρεται μέσω του τρανζίστορ.

Υποθέτουμε τώρα ότι το κύκλωμα που λειτουργεί με τηνυψηλή τάση (πχ 5V) είναι το κύκλωμα εξόδου και το κύκλωμα που λειτουργεί με τη χαμηλή τάση (πχ 3.3V) είναι το κύκλωμα εισόδου.

• Αν η έξοδος βρίσκεται σε λογικό 1 το κύκλωμα λειτουργείμε τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως και στην προηγούμενη υπόθεση.
• Αν βρίσκεται σε λογικό 0 τότε η πόλωση του τρανζίστορ προκύπτει ανάστροφη. Η εκροή (Drain) έχει δυναμικό 0, το οποίο προέρχεται από τη έξοδο του κυκλώματος, ενώ η πηγή (Source) και η πύλη (Gate) έχουν δυναμικό 3.3V, από την πόλωση και την pull up αντίσταση. Το τρανζίστορ έτσι είναι σε κατάσταση υψηλής αγωγιμότητας και το κύκλωμα εισόδου βρίσκεται και αυτό σε λογικό 0 αφού του μεταφέρεται μέσω του τρανζίστορ. (Παρακάτω γίνεται ανάλυση της συγκεκριμένης πόλωσης.)

Σε κάθε περίπτωση συνεπώς η λογική στάθμη του κυκλώματος εξόδου μεταφέρεται στο κύκλωμα εισόδου στο κατάλληλο επίπεδο τάσης.

Ανάλυση της ανάστροφης πόλωσης.

Στα MOS η εκροή με την πηγή δεν έχουν κατασκευαστικά κάποια διαφορά και όταν πρόκειται για n channel MOS είναι νησίδες τύπου n σε υπόστρωμα (Body) τύπου p. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχει μια επαφή pn μεταξύ του p υποστρώματος και της n νησίδας της εκροής και ομοίως και της πηγής. Σε κάποια τρανζίστορ το υπόστρωμα  είναι συνδεδεμένο σε ελεύθερο ακροδέκτη και αν πολωθεί σε δυναμικό αρνητικότερο από την πηγή τότε η V_T του τρανζίστορ αυξάνει και το αντίθετο. Σε άλλα τρανζίστορ είναι συνδεδεμένο στον ακροδέκτη της πηγής και αυτός είναι ο λόγος που ο συγκεκριμένος ακροδέκτης χρησιμοποιείται αποκλειστικά για πηγή και έτσι δεν επηρεάζεται η V_T. Η επαφή pn υποστρώματος – εκροής σε κανονική λειτουργία είναι πολωμένη ανάστροφα και έτσι δεν άγει. Το τρανζίστορ της συγκεκριμένης εφαρμογής είναι αυτού του τύπου.

Εξ αιτίας της ανάστροφης πόλωσης του τρανζίστορ, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, όταν το κύκλωμα εξόδου είναι σε λογικό 0, η επαφή pn υποστρώματος – εκροής βρίσκεται ορθά πολωμένη και συνεπώς άγει. Επιπλέον το κανάλι βρίσκεται και αυτό ανοιχτό, εξαιτίας της πόλωσης της πύλης. Μπορούμε να προσομοιώσουμε αυτή τη συνδεσμολογία σα να έχουμε ανταλλάξει την πηγή με την εκροή και συνδέσαμε το υπόστρωμα στη δεύτερη δηλαδή σε δυναμικό θετικότερο. Για όλους αυτούς τους λόγους το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση υψηλής αγωγιμότητας και το κύκλωμα εισόδου βρίσκεται και αυτό σε λογικό 0 αφού του μεταφέρεται μέσω του τρανζίστορ.

Σας ευχαριστώ για την υποστήριξή σας ώστε να γίνει η ιστοσελίδα μου καλύτερη.

© 2017 Πορλιδάς Δημήτριος