Hacer que el desplazamiento de nivel de señal mixta sea más compacto

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 podríamos ajustar el nivel con resistencias o con un CI dedicado de traducción de nivel. En el caso de datos digitales, como una interfaz I2C o SPI, lo más común es un CI de traducción de nivel clasificado para la especificación correspondiente.

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

Traductores de nivel digitales

La traducción 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 usar un CI de traducción de nivel. Estos componentes proporcionan una traducción de nivel directa 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 sus especificaciones, pueden tener distribuciones de pines y encapsulados en común.

Algunas especificaciones eléctricas importantes de los traductores 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 single-ended, que pueden estar estandarizadas o consistir en una simple traducción de nivel GPIO, ya sea como drenador abierto o push-pull. Además, algunos componentes pueden admitir rangos de voltaje de entrada muy amplios en un lado del traductor. Por ejemplo, la pieza Renesas número RH4Z2501 también funciona como driver de línea y puede admitir voltajes de entrada de hasta 36 V.

En los traductores de nivel bidireccionales, la disposición de las almohadillas suele colocarse a cada lado del encapsulado del componente. A continuación se muestra un ejemplo para la pieza de Texas Instruments número TXV0108 (opción de encapsulado propietario RGY). Esta disposición de pines hace que la convergencia y divergencia de señales sean mucho más simples.

La disposición de almohadillas en los traductores de nivel digitales permite el enrutamiento directo de entrada/salida en cada lado del componente en un diseño de PCB.

Circuitos de traducción de nivel analógico

La traducción de nivel analógico implica ajustar el nivel de una señal analógica aplicando un offset 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 filtrado adicional en el proceso de traducción de nivel con fines de limpieza de ruido.

Dependiendo del ingeniero al que le pregunte, encontrará múltiples formas de lograr el mismo tipo y magnitud de traducción 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, esta es probablemente la razón por la que nunca se han desarrollado como CI traductores de nivel analógico dedicados con una topología específica. Dicho esto, hemos visto varios métodos interesantes para implementar la traducción 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 divisores resistivos (para reducción de nivel)
• Soluciones de buffer bidireccional

Esta es solo una pequeña selección de los posibles enfoques para la traducción 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 traducción de nivel analógica.

Traducción de nivel de señal mixta en GreenPAK

Está claro que existen muchas soluciones para diseños digitales, y que es posible construir soluciones de traducción de nivel para diseños analógicos, pero ¿qué ocurre con las interfaces de señal mixta? Estos componentes tendrían que diseñarse a medida 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 traducción de nivel de señales digitales y analógicas simultáneamente, incluso de manera asíncrona. Los dispositivos GreenPAK permiten la traducción 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 traducción 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 CI totalmente personalizados de señal digital, analógica o mixta que proporcionan una función dedicada de traducción de nivel, o traducción de nivel como característica 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, consulte los componentes GreenPAK y los ejemplos de referencia.

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

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