Rendere il level shifting mixed-signal più compatto

La traslazione di tensione viene normalmente considerata un problema puramente digitale. Ad esempio, un dispositivo a 1,8 V deve comunicare con un dispositivo a 3,3 V, e il dispositivo a 3,3 V deve interagire con un altro dispositivo a 5 V, e così via. In questi casi, normalmente verifichiamo che un ingresso possa gestire il livello di segnale previsto e, se necessario, adattiamo il livello con resistori o con un IC dedicato per il level shifting. Nel caso di dati digitali, come un’interfaccia I2C o SPI, la soluzione più comune è un IC level shifter conforme alla specifica richiesta.

Nella nostra esperienza, il level shifting avviene molto più spesso nei sistemi analogici che in quelli digitali, e tuttavia non esistono soluzioni compatte per implementare il level shifting analogico su un PCB. Tuttavia, lo shifting analogico rimane importante per le stesse ragioni valide nei progetti digitali e richiede ai progettisti di circuiti uno sforzo maggiore per ideare soluzioni circuitali dedicate. Esistono modi per rendere tutto questo più compatto nei sistemi analogici e misti, che discuteremo in questo articolo.

Level Shifter Digitali

Il level shifting con segnali digitali può essere realizzato costruendo un circuito con componenti discreti, ma a causa della velocità e della complessità di tali circuiti, ha più senso utilizzare un IC level shifter. Questi componenti forniscono una traslazione diretta del livello tra due tensioni per segnali digitali, con tensioni fornite da alimentatori separati. Questi componenti sono comuni tra i produttori di semiconduttori e, pur differendo nelle specifiche, possono avere pinout e package comuni.

Alcune importanti specifiche elettriche dei level shifter includono:

• Interfacce supportate (I2C, SPI, ecc.)
• Slew rate di uscita e limite di frequenza di clock/data rate
• Direzionalità (unidirezionale o bidirezionale)
• Resistenza nello stato ON
• Funzionalità integrate aggiuntive, come la protezione del circuito o slew rate configurabile

Tipicamente, questi componenti supportano interfacce single-ended, che possono essere standardizzate oppure semplici traslazioni di livello GPIO, sia open-drain sia push-pull. Inoltre, alcuni componenti possono supportare intervalli di tensione di ingresso molto ampi su un lato del traslatore. Ad esempio, il codice Renesas RH4Z2501 funziona anche come line driver e può supportare tensioni di ingresso fino a 36 V.

Nei level shifter bidirezionali, la disposizione dei pad è spesso collocata su ciascun lato del package del componente. Un esempio per il componente Texas Instruments TXV0108 (opzione di package proprietaria RGY) è mostrato di seguito. Questa disposizione dei pin rende molto più semplice il fan-in e il fan-out.

La disposizione dei pad sui level shifter digitali consente il routing diretto di ingresso/uscita su ciascun lato del componente in un layout PCB.

Circuiti di Level Shifting Analogico

Il level shifting analogico comporta la regolazione del livello di un segnale analogico applicando un offset in continua, aumentando/diminuendo la tensione di picco del segnale analogico, oppure entrambe le cose. Questo si realizza normalmente con circuiteria personalizzata, tipicamente costruita con op-amp, ed è comune applicare anche un filtraggio aggiuntivo durante il processo di level shifting per ridurre il rumore.

A seconda dell’ingegnere a cui lo chiedi, troverai diversi modi per ottenere lo stesso tipo e la stessa entità di level shifting applicato a un segnale analogico, ciascuno dedicato a un diverso tipo di segnale o intervallo di frequenza (o a entrambi). In effetti, questa è probabilmente la ragione per cui level shifter analogici dedicati con una topologia specifica non sono mai stati realizzati come IC. Detto ciò, abbiamo osservato diversi metodi interessanti per implementare il level shifting con segnali analogici:

• Soluzioni basate su op-amp
• Progetti di catena del segnale ADC-MCU-DAC
• Soluzioni op-amp + ADC/DAC
• Circuiti basati su partitore resistivo (per step-down)
• Soluzioni buffer bidirezionali

Questa è solo una piccola selezione dei possibili approcci al level shifting con segnali analogici. Con così tante opzioni disponibili, dovrebbe essere chiaro perché le soluzioni integrate siano difficili da trovare. È qui che un processore mixed-signal può offrire valore come soluzione integrata per il level shifting analogico.

Level Shifting Mixed-Signal in GreenPAK

È chiaro che esistono numerose soluzioni per i progetti digitali, ed è possibile costruire soluzioni di level shifting per i progetti analogici, ma che dire delle interfacce mixed-signal? Questi componenti dovrebbero essere progettati su misura in silicio, ed è esattamente ciò che è possibile con un processore mixed-signal programmabile come GreenPAK.

In un componente GreenPAK, un progettista può configurare macrocellule mixed-signal per il level shifting simultaneo di segnali digitali e analogici, anche in modo asincrono. I dispositivi GreenPAK consentono il level shifting simultaneo di più segnali con ulteriore elaborazione logica implementata nel dispositivo secondo necessità. Ciò significa che un progettista può gestire interfacce digitali standard, logica personalizzata, oppure entrambe, insieme al level shifting dei segnali analogici.

Programmazione grafica di un componente GreenPAK.

Gli strumenti di sviluppo di Renesas GreenPAK offrono ai progettisti la possibilità di sviluppare IC digitali, analogici o mixed-signal completamente personalizzati che forniscono una funzione dedicata di level shifting, oppure il level shifting come funzione integrata. Questi processori mixed-signal programmabili consentono di consolidare ulteriori funzioni logiche istanziate direttamente nel silicio, permettendo sistemi più piccoli ed efficienti.

Per saperne di più, dai un’occhiata ai componenti GreenPAK e agli esempi di riferimento.

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