Rendre la conversion de niveau mixte analogique-numérique plus compacte

La translation de tension est généralement 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 à 5 V, et ainsi de suite. Dans ces cas, nous vérifions normalement qu’une entrée peut supporter un niveau de signal attendu, et nous pouvons ajuster le niveau avec des résistances ou un circuit intégré dédié de translation de niveau. Dans le cas de données numériques, comme une interface I2C ou SPI, un circuit intégré 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 ხშირად 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. Cependant, la translation analogique reste importante pour les mêmes raisons que dans les conceptions numériques, et elle 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 allons examiner 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 logique d’utiliser un circuit intégré de translation de niveau. Ces composants assurent directement la translation de niveau entre deux tensions pour des signaux numériques, les tensions étant fournies par des alimentations séparées. 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 principales spécifications électriques des translateurs de niveau, on peut citer :

• Interfaces prises en charge (I2C, SPI, etc.)
• Vitesse de montée/descente 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 de circuit ou une vitesse de montée/descente configurable

En général, ils prennent en charge des interfaces asymétriques, qu’elles soient normalisées ou de simples translations de niveau GPIO en mode drain ouvert ou push-pull. De plus, certains composants peuvent prendre en charge de très larges plages de tension d’entrée sur un côté du translateur. Par exemple, la référence Renesas RH4Z2501 fonctionne également comme driver de ligne et peut accepter des tensions d’entrée jusqu’à 36 V.

Dans les translateurs de niveau bidirectionnels, les pastilles sont souvent disposées de chaque côté du boîtier du composant. Un exemple avec la référence TXV0108 de Texas Instruments (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 analogique

La translation de niveau analogique consiste à ajuster le niveau d’un signal analogique en appliquant un décalage DC, en augmentant/réduisant la tension de crête du signal analogique, ou les deux. Cela se réalise normalement avec une circuiterie personnalisée, généralement construite avec des amplificateurs opérationnels, et il est courant d’appliquer un filtrage supplémentaire pendant le processus de translation de niveau afin de nettoyer 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 fréquences différente (ou aux deux). En réalité, 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 circuits intégrés. Cela dit, nous avons vu plusieurs méthodes intéressantes pour mettre en œuvre une translation de niveau avec des signaux analogiques :

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

Ce n’est qu’un petit échantillon des approches possibles pour la translation de niveau avec des signaux analogiques. Avec autant d’options disponibles, on comprend facilement pourquoi les solutions intégrées sont difficiles à trouver. C’est là qu’un processeur mixte analogique-numérique peut apporter de la valeur en tant que 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 qu’un processeur programmable mixte analogique-numérique comme GreenPAK permet.

Dans un composant GreenPAK, un concepteur peut configurer des macrocellules mixtes analogiques-numériques pour effectuer 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 implémenté dans le composant. Cela signifie qu’un concepteur peut prendre en charge des interfaces numériques standard, une logique personnalisée, ou les deux, en parallèle de la translation de niveau de signaux analogiques.

Programmation graphique d’un composant GreenPAK.

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

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

• En savoir plus sur les composants GreenPAK
• Voir les solutions de translateurs de niveau GreenPAK

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