Rendere il level shifting a segnale misto più compatto

La traduzione di livello della tensione viene normalmente considerata come 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, possiamo adattare 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 si verifica molto più spesso nei sistemi analogici che in quelli digitali, eppure non esistono soluzioni compatte per implementare il level shifting analogico in un PCB. Tuttavia, il level shifting analogico rimane importante per le stesse ragioni dei 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 mixed-signal, 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, è più sensato utilizzare un IC level shifter. Questi componenti forniscono una traduzione di livello diretta tra due tensioni per segnali digitali, con tensioni fornite da alimentazioni separate. 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.)
• Velocità di slew in uscita e limite di frequenza di clock/data rate
• Direzionalità (unidirezionale vs. bidirezionale)
• Resistenza nello stato ON
• Funzionalità integrate aggiuntive, come protezione del circuito o velocità di slew configurabile

In genere, questi componenti supportano interfacce single-ended, che possono essere standardizzate oppure semplici funzioni di level shifting GPIO in modalità open-drain o push-pull. Inoltre, alcuni componenti possono supportare intervalli di tensione di ingresso molto ampi su un lato dello shifter. Ad esempio, Renesas part number 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 nel layout PCB.

Circuiti di level shifting analogico

Il level shifting analogico comporta la regolazione del livello di un segnale analogico applicando un offset DC, aumentando/diminuendo la tensione di picco del segnale analogico, oppure entrambe le cose. Questo viene normalmente realizzato 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 chiedete, troverete diversi modi per ottenere lo stesso tipo e la stessa entità di level shifting applicati a un segnale analogico, ciascuno dedicato a un diverso tipo di segnale o intervallo di frequenza (o entrambi). In effetti, probabilmente è proprio per questo motivo che non sono mai stati realizzati come IC level shifter analogici dedicati con una topologia specifica. Detto questo, abbiamo visto 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 molte 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 macrocell 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 o 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 completamente personalizzati digitali, analogici o mixed-signal che forniscono una funzione di level shifting dedicata oppure il level shifting come funzionalità integrata. Questi processori mixed-signal programmabili consentono di consolidare funzioni logiche aggiuntive implementate direttamente in silicio, permettendo sistemi più piccoli ed efficienti.

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

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