Cómo hacer más compacto el desplazamiento de nivel de señales mixtas

La traducción de voltaje normalmente se plantea como un problema puramente digital. Por ejemplo, un dispositivo de 1,8 V necesita comunicarse con un dispositivo de 3,3 V, y el dispositivo de 3,3 V necesita interactuar con otro dispositivo a 5 V, y así sucesivamente. En estos casos, normalmente verificamos que una entrada pueda manejar un nivel de señal esperado, y puede que ajustemos el nivel con resistencias o con un CI dedicado de traslación de nivel. En el caso de datos digitales, como una interfaz I2C o SPI, lo más común es un CI de traslación de nivel clasificado según la especificación correspondiente.

Según nuestra experiencia, la traslación de nivel ocurre con mucha más frecuencia en sistemas analógicos que en sistemas digitales y, sin embargo, no existen soluciones compactas para implementar la traslación de nivel analógica en una PCB. No obstante, la traslación analógica sigue siendo importante por las mismas razones que en los diseños digitales, y exige a los diseñadores de circuitos un mayor esfuerzo para idear soluciones basadas en circuitos para la traslación de nivel. Existen formas de hacer esto más compacto para sistemas analógicos y de señal mixta, lo cual analizaremos en este artículo.

Trasladores de nivel digital

La traslación de nivel con señales digitales puede realizarse construyendo un circuito a partir de componentes discretos, pero debido a la velocidad y complejidad de estos circuitos, tiene más sentido utilizar un CI de traslación de nivel. Estos componentes proporcionan traslación directa de nivel entre dos voltajes para señales digitales, con voltajes suministrados por fuentes de alimentación separadas. Estos componentes son comunes entre los fabricantes de semiconductores y, aunque difieren en especificaciones, pueden tener encapsulados y pinouts comunes.

Algunas especificaciones eléctricas importantes de los trasladores de nivel incluyen:

• Interfaces compatibles (I2C, SPI, etc.)
• Tasa de variación de salida y límite de frecuencia de reloj/tasa de datos
• Direccionalidad (unidireccional frente a bidireccional)
• Resistencia en estado ON
• Funciones integradas adicionales, como protección de circuitos o tasa de variación configurable

Normalmente, estos admiten interfaces de un solo extremo, que pueden estar estandarizadas o ser una simple traslación de nivel GPIO, ya sea de drenaje abierto o push-pull. Además, algunos componentes pueden admitir rangos de voltaje de entrada muy amplios en un lado del traslador. Por ejemplo, la pieza Renesas con número RH4Z2501 también funciona como controlador de línea y puede admitir voltajes de entrada de hasta 36 V.

En los trasladores de nivel bidireccionales, la disposición de pads suele ubicarse a cada lado del encapsulado del componente. A continuación se muestra un ejemplo para la pieza TXV0108 de Texas Instruments (opción de encapsulado propietario RGY). Esta disposición de pines simplifica mucho la convergencia y distribución de señales.

La disposición de pads en los trasladores de nivel digital permite el enrutamiento directo de entrada/salida a cada lado del componente en un diseño de PCB.

Circuitos de traslación de nivel analógico

La traslación de nivel analógica implica ajustar el nivel de una señal analógica aplicando un desplazamiento de CC, aumentando/disminuyendo el voltaje pico de la señal analógica, o ambas cosas. Normalmente esto se logra con circuitería personalizada, por lo general construida con amplificadores operacionales, y es común aplicar algún filtrado adicional durante el proceso de traslación de nivel para fines de limpieza de ruido.

Dependiendo del ingeniero al que le pregunte, encontrará múltiples formas de lograr el mismo tipo y magnitud de traslación de nivel aplicada a una señal analógica, cada una de ellas dedicada a un tipo de señal o rango de frecuencia diferente (o ambos). De hecho, probablemente esta sea la razón por la que nunca se han desarrollado como CIs trasladores de nivel analógico dedicados con una topología específica. Dicho esto, hemos visto varios métodos interesantes para implementar la traslación de nivel con señales analógicas:

• Soluciones basadas en amplificadores operacionales
• Diseños de cadena de señal ADC-MCU-DAC
• Soluciones con amplificador operacional + ADC/DAC
• Circuitos basados en divisor resistivo (para reducción de nivel)
• Soluciones de búfer bidireccional

Esta es solo una pequeña selección de los posibles enfoques para la traslación de nivel con señales analógicas. Con tantas opciones disponibles, debería quedar claro por qué es difícil encontrar soluciones integradas. Aquí es donde un procesador de señal mixta puede aportar valor como solución integrada para la traslación de nivel analógica.

Traslación de nivel de señal mixta en GreenPAK

Claramente existen muchas soluciones para diseños digitales, y es posible construir soluciones de traslación de nivel para diseños analógicos, pero ¿qué ocurre con las interfaces de señal mixta? Estos componentes tendrían que diseñarse de forma personalizada en silicio, y eso es exactamente lo que es posible con un procesador programable de señal mixta como GreenPAK.

En un componente GreenPAK, un diseñador puede configurar macroceldas de señal mixta para la traslación de nivel de señales digitales y analógicas simultáneamente, incluso de manera asíncrona. Los dispositivos GreenPAK permiten la traslación de nivel simultánea de múltiples señales con procesamiento lógico adicional implementado en el dispositivo según sea necesario. Esto significa que un diseñador puede incorporar interfaces digitales estándar, lógica personalizada, o ambas, junto con la traslación de nivel para señales analógicas.

Programación gráfica de un componente GreenPAK.

Las herramientas de desarrollo de Renesas GreenPAK brindan a los diseñadores la capacidad de desarrollar CIs totalmente personalizados de señal digital, analógica o mixta que proporcionan una función dedicada de traslación de nivel, o la traslación de nivel como una función integrada. Estos procesadores programables de señal mixta permiten consolidar funciones lógicas adicionales instanciadas directamente en silicio, lo que permite sistemas más pequeños y eficientes.

Para obtener más información, eche un vistazo a los componentes GreenPAK y a los ejemplos de referencia.

• Más información sobre los componentes GreenPAK
• Ver soluciones de traslador de nivel GreenPAK

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