Kompakteres Mixed-Signal-Pegelshifting

Die Pegelübersetzung wird normalerweise als rein digitales Problem betrachtet. Zum Beispiel muss ein 1,8-V-Bauteil mit einem 3,3-V-Bauteil kommunizieren, und das 3,3-V-Bauteil muss wiederum mit einem weiteren Bauteil bei 5 V interagieren usw. In diesen Fällen prüfen wir normalerweise, ob ein Eingang einen erwarteten Signalpegel verarbeiten kann, und passen den Pegel gegebenenfalls mit Widerständen oder einem dedizierten Pegelwandler-IC an. Bei digitalen Daten, etwa über eine I2C- oder SPI-Schnittstelle, ist ein Pegelwandler-IC, das für die jeweilige Spezifikation ausgelegt ist, am gebräuchlichsten.

Unserer Erfahrung nach findet Pegelwandlung in analogen Systemen deutlich häufiger statt als in digitalen Systemen, und dennoch gibt es keine kompakten Lösungen zur Implementierung analoger Pegelwandlung auf einer Leiterplatte. Dennoch ist analoge Pegelanpassung aus denselben Gründen wie in digitalen Designs wichtig, und sie verlangt von Schaltungsentwicklern einen höheren Aufwand bei der Ausarbeitung schaltungsbasierter Lösungen für die Pegelwandlung. Es gibt Möglichkeiten, dies für analoge und Mixed-Signal-Systeme kompakter zu gestalten, die wir in diesem Artikel besprechen werden.

Digitale Pegelwandler

Die Pegelwandlung mit digitalen Signalen kann durch den Aufbau einer Schaltung aus diskreten Komponenten erfolgen, aber aufgrund der Geschwindigkeit und Komplexität solcher Schaltungen ist der Einsatz eines Pegelwandler-ICs sinnvoller. Diese Komponenten bieten eine direkte Pegelwandlung zwischen zwei Spannungen für digitale Signale, wobei die Spannungen von separaten Stromversorgungen bereitgestellt werden. Diese Komponenten sind bei Halbleiterherstellern weit verbreitet, und obwohl sie sich in ihren Spezifikationen unterscheiden, können sie gemeinsame Pinbelegungen und Gehäuseformen haben.

Einige wichtige elektrische Spezifikationen von Pegelwandlern sind:

• Unterstützte Schnittstellen (I2C, SPI usw.)
• Ausgangs-Slew-Rate und Grenzwert für Taktfrequenz/Datenrate
• Signalrichtung (unidirektional vs. bidirektional)
• Einschaltwiderstand
• Zusätzliche integrierte Funktionen, wie z. B. Schaltungsschutz oder konfigurierbare Slew-Rate

Typischerweise unterstützen diese Single-Ended-Schnittstellen, die standardisiert sein können, oder einfache GPIO-Pegelwandlung als Open-Drain oder Push-Pull. Darüber hinaus unterstützen einige Komponenten auf einer Seite des Wandlers sehr große Eingangsspannungsbereiche. Zum Beispiel fungiert Renesas-Teilenummer RH4Z2501 auch als Leitungstreiber und kann Eingangsspannungen bis zu 36 V unterstützen.

Bei bidirektionalen Pegelwandlern sind die Pad-Anordnungen oft auf beiden Seiten des Komponentengehäuses angeordnet. Ein Beispiel dafür ist die Texas-Instruments-Teilenummer TXV0108 (proprietäre Gehäuseoption RGY), wie unten gezeigt. Diese Pin-Anordnung vereinfacht Fan-in und Fan-out erheblich.

Pad-Anordnungen bei digitalen Pegelwandlern ermöglichen direktes Ein-/Ausgangsrouting auf jeder Seite der Komponente in einem PCB-Layout.

Schaltungen zur analogen Pegelwandlung

Bei der analogen Pegelwandlung wird der Pegel eines analogen Signals angepasst, indem ein DC-Offset angelegt, die Spitzenspannung des analogen Signals erhöht/verringert oder beides kombiniert wird. Dies wird normalerweise mit kundenspezifischen Schaltungen erreicht, die typischerweise mit Operationsverstärkern aufgebaut sind, und dabei wird im Zuge der Pegelwandlung häufig zusätzlich gefiltert, um Rauschen zu reduzieren.

Je nachdem, welchen Ingenieur Sie fragen, finden Sie mehrere Möglichkeiten, dieselbe Art und Größe einer auf ein analoges Signal angewendeten Pegelwandlung zu erreichen, wobei jede davon für einen anderen Signaltyp oder Frequenzbereich (oder beides) vorgesehen ist. Tatsächlich ist dies wahrscheinlich der Grund, warum dedizierte analoge Pegelwandler mit spezifischer Topologie nie als ICs entwickelt wurden. Dennoch haben wir mehrere interessante Methoden zur Implementierung der Pegelwandlung mit analogen Signalen gesehen:

• Operationsverstärkerbasierte Lösungen
• ADC-MCU-DAC-Signalkettendesigns
• Operationsverstärker- + ADC/DAC-Lösungen
• Schaltungen auf Basis von Spannungsteilern (für Step-down)
• Bidirektionale Pufferlösungen

Dies ist nur eine kleine Auswahl möglicher Ansätze zur Pegelwandlung mit analogen Signalen. Bei so vielen verfügbaren Optionen wird deutlich, warum integrierte Lösungen schwer zu finden sind. Hier kann ein Mixed-Signal-Prozessor als integrierte Lösung für die analoge Pegelwandlung einen Mehrwert bieten.

Mixed-Signal-Pegelwandlung in GreenPAK

Es gibt offensichtlich viele Lösungen für digitale Designs, und es ist möglich, Pegelwandlungslösungen für analoge Designs aufzubauen, aber wie sieht es mit Mixed-Signal-Schnittstellen aus? Diese Komponenten müssten kundenspezifisch in Silizium entwickelt werden, und genau das ist mit einem programmierbaren Mixed-Signal-Prozessor wie GreenPAK möglich.

In einer GreenPAK-Komponente kann ein Entwickler Mixed-Signal-Makrozellen für die gleichzeitige Pegelwandlung digitaler und analoger Signale konfigurieren, sogar asynchron. GreenPAK-Bausteine ermöglichen die gleichzeitige Pegelwandlung mehrerer Signale, wobei bei Bedarf zusätzliche Logikverarbeitung im Baustein implementiert werden kann. Das bedeutet, dass ein Entwickler standardisierte digitale Schnittstellen, kundenspezifische Logik oder beides zusammen mit der Pegelwandlung für analoge Signale realisieren kann.

Grafische Programmierung einer GreenPAK-Komponente.

Die Entwicklerwerkzeuge von Renesas GreenPAK geben Designern die Möglichkeit, vollständig kundenspezifische digitale, analoge oder Mixed-Signal-ICs zu entwickeln, die eine dedizierte Pegelwandlungsfunktion oder Pegelwandlung als integrierte Funktion bereitstellen. Diese programmierbaren Mixed-Signal-Prozessoren ermöglichen die Konsolidierung zusätzlicher Logikfunktionen, die direkt in Silizium implementiert werden, und erlauben dadurch kleinere, effizientere Systeme.

Wenn Sie mehr erfahren möchten, sehen Sie sich die GreenPAK-Komponenten und Referenzbeispiele an.

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