Чтение RSS Все о РадиоЭлектроТехнике » РадиоЭлектроника » Остальное » Основы согласования уровней напряжения

Книги по радиоэлектронике

Новости партнеров

Малогабаритный частотомер с питанием от литиевого элемента
     Прототипом этого прибора послужил частотомер, описанный в статье И. Котова («Радио», 2008, № 2, с. 21, 22). Переделка свелась к замене батареи питания 6F22 литиевым ...
Microchip. Информацинный каталог. 2014
Название: Microchip. Информацинный каталог Год издания: 2014 Страниц: 88 Формат: djvu Размер: 17,34 MB Описание: Предлагаем вашему вниманию очередное издание информационного каталога ...
Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family
Название: Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family Автор: Robert Reese, J.W. Bruce, Bryan A. Jones Год издания: 2009 Страниц: 865 Формат: pdf Размер: 9,58 MB ...

Основы согласования уровней напряжения

 Опубликовано: 27-09-2014, 10:20  Комментариев: (0)


Схемотехники столкнулись с необходимостью разработки систем с большей функциональностью и сложностью при одновременном ужесточении требований к питанию и ограничении сроков внедрения. Подобные системы часто требуют согласования уровней напряжения для обеспечения согласования интегральных схем, выполненных по различным технологиям. Правильность выбора устройства согласования уровней напряжения зависит от множества факторов и определяет эксплуатационные характеристики и КПД прикладной схемы. Texas Instruments предлагает ряд решений для удовлетворения требований разработчиков.

Введение

Прогресс в технологиях изготовления полупроводниковых приборов позволил достигнуть малых геометрических размеров изделий и низких уровней напряжений питания. Эти усовершенствованные технологии используются при производстве многих современных энергосберегающих устройств, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками. Для использования таких новых устройств при существующих технологиях необходимы средства, обеспечивающие согласование уровней выходных напряжений одних устройств с уровнями входных напряжений других устройств, входящих в схему, например, как показано на рисунке 1. Существует несколько способов решения этой задачи.



Рисунок 1. Устройство с гибким согласованием уровней напряжения

Различные технологии проектирования электронных схем позволяют определить пороговое значение входного напряжения и уровень выходного напряжения, достижимый в различных устройствах. Для успешной стыковки двух устройств, выполненых по различным технологиям, может понадобиться согласование уровней напряжения. Требования к согласованию включают следующее(1):

  1. Выходное напряжение высокого уровня (VOH) ведущего устройства должно быть больше входного напряжения высокого уровня (VIH) ведомого устройства.
  2. Выходное напряжение низкого уровня (VOL) ведущего устройства должно быть меньше входного напряжения низкого уровня (VIL) ведомого устройства.
  3. Выходное напряжение, поступающее со стороны ведущего устройства, не должно превышать предельных допусков на входные/ выходные напряжения ведомого устройства.



Рисунок 2. Типовая ситуация, при которой необхо- димо согласование уровней

Потенциальные проблемы при отсутствии согласования уровней напряжения

Согласование уровней напряжения необходимо, когда два устройства относятся к различным узлам напряжения питания. Существует два возможных варианта:

  1. Высоковольтное устройство должно управлять низковольтным устройством.
  2. Низковольтное устройство должно управлять высоковольтным устройством.

Если ведущим является высоковольтное устройство, схема может работать надёжно при соблюдении указанных ниже условий.

  • Должно быть указано, что входные контакты ведомого устройства выдерживают подключение к более высоковольтному устройству.
  • Перепад логических уровней должен проходить через уровни напряжений VIL и VIH, определённые для ведомого устройства.

Если ведущим является низковольтное устройство, типовое устройство не может правильно работать без использования устройства согласования уровней. Одной из проблем может быть слишком большая разница напряжений. Если это так, низковольтный сигнал не может обеспечить достаточного напряжения для управления ведомым устройством, что делает систему неработоспособной. Кроме того, если уровень напряжения достаточен для управления ведомым устройством, уровень VIH может оказаться недостаточно высок, например, для полного отключения структуры PMOS (p-канального МОП-транзистора) во входном буфере.



Рисунок 3. Примеры согласования уровней с использованием устройств семейства AVC

Методы согласования уровней напряжения

Для эффективного согласования уровней напряжения могут быть использованы несколько методов. Выбор устройства и его применение определяются схемным решением, допустимой (или требуемой) потребляемой мощностью, уровнями напряжения, которые необходимо согласовать, и способностью устройства отдавать ток.

Одним из вариантов согласования уровней напряжения являются устройства согласования с двумя напряжениями питания. Эти устройства обеспечивают возможность двунаправленного согласования уровней напряжения. Они могут быть использованы для согласования входного напряжения низкого уровня с выходным напряжением высокого уровня или для согласования входного напряжения высокого уровня с выходным напряжением низкого уровня. Эти устройства обладают низким энергопотреблением и их можно найти в семействах устройств ALVC, AVC и LVC.

Вторым методом согласования уровней напряжения является использование устройств с открытым стоком. Устройства с открытым стоком могут использоваться для согласования уровней напряжения в обе стороны для ряда узлов напряжения. Выходное напряжение определяется VCCB. VCCB может быть выше, чем входное напряжение высокого уровня (согласование вверх), или ниже, чем входное напряжение высокого уровня (согласование вниз). При этом, в зависимости от конфигурации схемы, устройства с открытым стоком могут приводить к увеличению потребляемой системой мощности. На рисунке 4 показана схема согласования с выходами с открытым стоком.



Рисунок 4. Выходы с открытым стоком

Прочие устройства могут осуществлять согласование уровней только в одну сторону. Одним из примеров всенаправленного преобразования уровней являются устройства с входами, устойчивыми к перенапряжению. Эти устройства могут работать с входными напряжениями, более высокими, чем напряжение питания согласуемого устройства, и пригодны для согласования уровней напряжения в сторону понижения. Такие устройства обладают небольшой потребляемой мощностью и при этом требуется только один источник питания. К семействам устройств с входами, устойчивыми к перенапряжению, относятся AHC, AUC, AVC, LV-A, и LVC. При использовании устройств, устойчивых к перенапряжению, для согласования уровней, затянутые фронты входного сигнала могут влиять на продолжительность переключения выходного сигнала. Кроме того, уровень переключения схемы ограничен Vcc. Таким образом, устройства, устойчивые к перенапряжению, не являются лучшим решением в случаях, когда продолжительность переключения является критичной.



Рисунок 5. Согласование вниз с использованием логического устройства со входами, устойчивыми к перенапряжению

Другое семейство устройств, выполняющих согласование уровней напряжения с автоматическим выбором направления согласования. Эти устройства расширяют возможности подключения процессоров следующего поколения к периферийным устройствам. Эти устройства, например TXB0104 и TXS0104E, исключают необходимость использования сигналов управления направлением согласования, используемых в традиционных устройствах согласования уровней напряжения. Они обладают низкой потребляемой мощностью, гальванической развязкой Vcc и поддерживают режим частичного пониженного энергопотребления.



Рисунок 6. Согласование уровней с использованием ключей на полевых транзисторах

И, наконец, для согласования уровней также могут использоваться ключи на полевых транзисторах. Одним из их преимуществ является скорость распространения сигнала. Некоторые из ключей на полевых транзисторах выполняют согласование только вниз, в то время как другие могут быть сконфигурированы для согласования в обоих направлениях. Для решения задачи согласования уровней могут использоваться устройства, принадлежащие к семействам CBT, CBTD и TVC. Например, семейство TVC (фиксатор напряжения согласования) было разработано специально для защиты чувствительных входов/выходов. Каждое устройство семейства TVC предполагает конкретное применение по защите входов/выходов, что может быть использовано разработчиками для реализации устройства, отвечающего конкретным требованиям.

Заключение

Корпорация Texas Instruments предлагает широкий спектр устройств, в зависимости от применения системы, потребляемой мощности, уровней согласуемых напряжений и требований к отдаваемому току. Имеются и устройства, пригодные для согласования вверх низких выходных напряжений, и для согласования вниз высоких выходных напряжений для сопряжения с последующими устройствами. Во многих случаях устройства согласования уровней с двумя источниками питания, предлагаемые TI, могут представлять собой наилучшее решение.

Литература

  1. Prasad Dhond, Selecting the Right Level-Translation Solution (Выбор правильного решения при согласовании уровней), SCEA035A.
  2. Thomas V. McCaughey, Stephen M. Nolan, and John D. Peitrzak, Flexible Voltage-Level Translation With CBT Family Devices (Гибкое согласование уровней напряжения с использованием устройств семейства CBT), SCDA006.
  3. Texas Instruments Translation Overview (Обзор устройств согласования от TI), www.ti.com/trans, SCYB018.
  4. Tl's New Auto-Direction Voltage-Level Translation Devices Improve Connectivity between Next-Generation Processors and Peripherals (Новые устройства согласования уровней напряжения с автоматическим выбором направления согласования от TI, расширяющие возможности подключения процессоров следующего поколения к периферийным устройствам).
  5. Craig Sprulin, Voltage Translation Between 3.3, 2.5, 1.8, and 1.5 V Logic Standards with the Tl AVCA/ AVCB164245 Dual-Supply Bus-Translating Transceivers (Согласование уровней напряжения между логическими устройствами со стандартами напряжения 3,3; 2,5; 1,8 и 1,5 В с помощью согласующих шинных преобразователей с двумя источниками питания AVCA/ AVCB164245 от TI), SCEA030A.

(1) Выбор правильного решения при согласовании уровней (Selecting the Right Level-Translation Solution), издание Tl, номер SCEA035A, июнь 2004.К тексту