Rendre le décalage de niveau mixte analogique-numérique plus compact

La translation de tension est normalement présentée comme un problème purement numérique. Par exemple, un composant 1,8 V doit communiquer avec un composant 3,3 V, et le composant 3,3 V doit interagir avec un autre composant en 5 V, et ainsi de suite. Dans ces cas, nous vérifions normalement qu’une entrée peut accepter un niveau de signal attendu, et nous pouvons ajuster ce niveau avec des résistances ou avec un CI dédié de translation de niveau. Dans le cas de données numériques, comme une interface I2C ou SPI, un CI de translation de niveau conforme à la spécification concernée est le plus courant.

D’après notre expérience, la translation de niveau se produit bien plus souvent dans les systèmes analogiques que dans les systèmes numériques, et pourtant il n’existe pas de solutions compactes pour mettre en œuvre une translation de niveau analogique sur un PCB. Toutefois, le décalage analogique reste important pour les mêmes raisons que dans les conceptions numériques, et il demande davantage d’efforts aux concepteurs de circuits pour élaborer des solutions de translation de niveau basées sur des circuits. Il existe des moyens de rendre cela plus compact pour les systèmes analogiques et mixtes, que nous examinerons dans cet article.

Translateurs de niveau numériques

La translation de niveau avec des signaux numériques peut être réalisée en construisant un circuit à partir de composants discrets, mais en raison de la vitesse et de la complexité de ces circuits, il est plus judicieux d’utiliser un CI de translation de niveau. Ces composants assurent une translation directe entre deux tensions pour des signaux numériques, les tensions étant fournies par des alimentations distinctes. Ces composants sont courants chez les fabricants de semi-conducteurs et, bien que leurs spécifications diffèrent, ils peuvent avoir des brochages et des boîtiers communs.

Parmi les spécifications électriques importantes des translateurs de niveau, on peut citer :

• Interfaces prises en charge (I2C, SPI, etc.)
• Vitesse de transition en sortie et limite de fréquence d’horloge/de débit de données
• Directionnalité (unidirectionnelle ou bidirectionnelle)
• Résistance à l’état passant
• Fonctionnalités intégrées supplémentaires, telles que la protection des circuits ou une vitesse de transition configurable

En général, ils prennent en charge des interfaces single-ended, qui peuvent être normalisées ou correspondre à une simple translation de niveau GPIO en mode drain ouvert ou push-pull. De plus, certains composants peuvent prendre en charge de très grandes plages de tension d’entrée d’un côté du translateur. Par exemple, la référence Renesas RH4Z2501 fait également office de driver de ligne et peut prendre en charge des tensions d’entrée jusqu’à 36 V.

Dans les translateurs de niveau bidirectionnels, la disposition des pastilles est souvent répartie de chaque côté du boîtier du composant. Un exemple avec la référence Texas Instruments TXV0108 (option de boîtier propriétaire RGY) est présenté ci-dessous. Cette disposition des broches simplifie grandement le fan-in et le fan-out.

La disposition des pastilles sur les translateurs de niveau numériques permet un routage direct des entrées/sorties de chaque côté du composant dans un PCB.

Circuits de translation de niveau analogiques

La translation de niveau analogique consiste à ajuster le niveau d’un signal analogique en appliquant un décalage continu, en augmentant/diminuant la tension de crête du signal analogique, ou les deux. Cela est normalement réalisé avec une circuiterie sur mesure, généralement construite autour d’amplificateurs opérationnels, et il est courant d’appliquer un filtrage supplémentaire pendant le processus de translation de niveau afin de réduire le bruit.

Selon l’ingénieur à qui vous posez la question, vous trouverez plusieurs façons d’obtenir le même type et la même amplitude de translation de niveau appliquée à un signal analogique, chacune étant dédiée à un type de signal ou à une plage de fréquence différente (ou aux deux). En fait, c’est probablement la raison pour laquelle des translateurs de niveau analogiques dédiés, avec une topologie spécifique, n’ont jamais été réalisés sous forme de CI. Cela dit, nous avons observé plusieurs méthodes intéressantes pour mettre en œuvre une translation de niveau avec des signaux analogiques :

• Solutions basées sur des amplificateurs opérationnels
• Conceptions de chaînes de signaux ADC-MCU-DAC
• Solutions ampli-op + ADC/DAC
• Circuits basés sur un pont diviseur résistif (pour l’abaissement)
• Solutions à tampon bidirectionnel

Ce n’est qu’une petite sélection des approches possibles pour la translation de niveau avec des signaux analogiques. Avec autant d’options disponibles, il devrait être clair pourquoi les solutions intégrées sont difficiles à trouver. C’est là qu’un processeur mixte peut apporter de la valeur comme solution intégrée de translation de niveau analogique.

Translation de niveau mixte dans GreenPAK

Il existe clairement de nombreuses solutions pour les conceptions numériques, et il est possible de construire des solutions de translation de niveau pour les conceptions analogiques, mais qu’en est-il des interfaces mixtes ? Ces composants devraient être conçus sur mesure en silicium, et c’est exactement ce qui est possible avec un processeur programmable à signaux mixtes comme GreenPAK.

Dans un composant GreenPAK, un concepteur peut configurer des macrocells mixtes pour assurer simultanément la translation de niveau de signaux numériques et analogiques, même de manière asynchrone. Les dispositifs GreenPAK permettent la translation simultanée de plusieurs signaux avec, si nécessaire, un traitement logique supplémentaire mis en œuvre dans le dispositif. Cela signifie qu’un concepteur peut prendre en charge des interfaces numériques standard, une logique personnalisée, ou les deux, en parallèle avec la translation de niveau pour des signaux analogiques.

Programmation graphique d’un composant GreenPAK.

Les outils de développement Renesas GreenPAK donnent aux concepteurs la possibilité de développer des CI entièrement personnalisés, numériques, analogiques ou mixtes, qui assurent une fonction dédiée de translation de niveau, ou la translation de niveau comme fonctionnalité intégrée. Ces processeurs programmables à signaux mixtes permettent de consolider des fonctions logiques supplémentaires instanciées directement dans le silicium, pour des systèmes plus compacts et plus efficaces.

Pour en savoir plus, découvrez les composants GreenPAK et les exemples de référence.

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