Bardziej kompaktowe przesuwanie poziomów w układach mieszanych analogowo-cyfrowych

Translacja poziomów napięć jest zwykle przedstawiana jako problem wyłącznie cyfrowy. Na przykład układ pracujący przy 1,8 V musi komunikować się z układem 3,3 V, a układ 3,3 V musi współpracować z kolejnym układem przy 5 V itd. W takich przypadkach zazwyczaj sprawdzamy, czy wejście może obsłużyć oczekiwany poziom sygnału, i ewentualnie korygujemy ten poziom za pomocą rezystorów lub dedykowanego układu scalonego do translacji poziomów. W przypadku danych cyfrowych, takich jak interfejs I2C lub SPI, najczęściej stosuje się układ level shifter IC zgodny z daną specyfikacją.

Z naszego doświadczenia wynika, że przesuwanie poziomów znacznie częściej występuje w systemach analogowych niż cyfrowych, a mimo to nie istnieją kompaktowe rozwiązania do realizacji analogowego przesuwania poziomów na PCB. Analogowe przesuwanie poziomów nadal jest jednak ważne z tych samych powodów co w projektach cyfrowych i wymaga od projektantów obwodów większego wysiłku przy opracowywaniu rozwiązań obwodowych realizujących tę funkcję. Istnieją sposoby, aby uczynić to bardziej zwartym rozwiązaniem dla systemów analogowych i mieszanych, które omówimy w tym artykule.

Cyfrowe układy do translacji poziomów

Translację poziomów dla sygnałów cyfrowych można zrealizować, budując obwód z elementów dyskretnych, ale ze względu na szybkość działania i złożoność takich obwodów bardziej sensowne jest użycie układu level shifter IC. Elementy te zapewniają bezpośrednią translację poziomów między dwoma napięciami dla sygnałów cyfrowych, przy czym napięcia są dostarczane przez oddzielne zasilacze. Takie elementy są powszechnie dostępne u producentów półprzewodników i choć różnią się specyfikacją, mogą mieć wspólne wyprowadzenia i obudowy.

Do ważnych parametrów elektrycznych układów do translacji poziomów należą:

• Obsługiwane interfejsy (I2C, SPI itp.)
• Szybkość narastania sygnału wyjściowego oraz graniczna częstotliwość zegara/szybkość transmisji danych
• Kierunkowość (jednokierunkowa lub dwukierunkowa)
• Rezystancja w stanie ON
• Dodatkowe zintegrowane funkcje, takie jak zabezpieczenie obwodu lub konfigurowalna szybkość narastania

Zazwyczaj obsługują one interfejsy niesymetryczne, które mogą być znormalizowane lub realizować prostą translację poziomów GPIO w trybie open-drain albo push-pull. Ponadto niektóre elementy mogą obsługiwać bardzo szerokie zakresy napięcia wejściowego po jednej stronie układu. Na przykład element Renesas o numerze RH4Z2501 pełni także funkcję sterownika linii i może obsługiwać napięcia wejściowe do 36 V.

W dwukierunkowych układach do translacji poziomów rozmieszczenie padów jest często wykonane po obu stronach obudowy elementu. Poniżej pokazano przykład dla elementu Texas Instruments TXV0108 (firmowy wariant obudowy RGY). Taki układ wyprowadzeń znacznie upraszcza prowadzenie połączeń wejściowych i wyjściowych.

Rozmieszczenie padów w cyfrowych układach do translacji poziomów umożliwia bezpośrednie prowadzenie ścieżek wejściowych/wyjściowych po każdej stronie elementu w układzie PCB.

Obwody analogowego przesuwania poziomów

Analogowe przesuwanie poziomów polega na regulacji poziomu sygnału analogowego poprzez dodanie składowej stałej DC, zwiększenie lub zmniejszenie amplitudy szczytowej sygnału analogowego albo połączenie obu tych metod. Zwykle realizuje się to za pomocą niestandardowych obwodów, najczęściej zbudowanych na wzmacniaczach operacyjnych, i często w procesie przesuwania poziomów stosuje się dodatkowe filtrowanie w celu ograniczenia szumów.

W zależności od tego, którego inżyniera zapytasz, znajdziesz wiele sposobów uzyskania tego samego typu i tej samej wielkości przesunięcia poziomu zastosowanego do sygnału analogowego, przy czym każdy z nich jest przeznaczony do innego rodzaju sygnału lub zakresu częstotliwości (albo obu jednocześnie). W rzeczywistości jest to prawdopodobnie powód, dla którego dedykowane analogowe układy do przesuwania poziomów o określonej topologii nigdy nie zostały opracowane jako układy scalone. Mimo to spotkaliśmy kilka interesujących metod realizacji przesuwania poziomów dla sygnałów analogowych:

• Rozwiązania oparte na wzmacniaczach operacyjnych
• Projekty łańcucha sygnałowego ADC-MCU-DAC
• Rozwiązania oparte na wzmacniaczu operacyjnym + ADC/DAC
• Obwody oparte na dzielniku rezystorowym (dla obniżania poziomu)
• Dwukierunkowe rozwiązania buforowe

To tylko niewielki wybór możliwych podejść do przesuwania poziomów w sygnałach analogowych. Przy tak wielu dostępnych opcjach łatwo zrozumieć, dlaczego trudno znaleźć rozwiązania zintegrowane. Właśnie tutaj procesor mixed-signal może stanowić wartościowe zintegrowane rozwiązanie dla analogowego przesuwania poziomów.

Przesuwanie poziomów mixed-signal w GreenPAK

Jasne jest, że istnieje wiele rozwiązań dla projektów cyfrowych i że można budować rozwiązania do przesuwania poziomów także dla projektów analogowych, ale co z interfejsami mixed-signal? Takie elementy musiałyby być projektowane indywidualnie w krzemie i właśnie to umożliwia programowalny procesor mixed-signal, taki jak GreenPAK.

W komponencie GreenPAK projektant może skonfigurować komórki makro mixed-signal do jednoczesnego przesuwania poziomów sygnałów cyfrowych i analogowych, nawet w sposób asynchroniczny. Układy GreenPAK umożliwiają jednoczesne przesuwanie poziomów wielu sygnałów z dodatkowym przetwarzaniem logicznym realizowanym w urządzeniu w razie potrzeby. Oznacza to, że projektant może obsłużyć standardowe interfejsy cyfrowe, logikę niestandardową lub oba te elementy równolegle z przesuwaniem poziomów sygnałów analogowych.

Graficzne programowanie komponentu GreenPAK.

Narzędzia deweloperskie Renesas GreenPAK dają projektantom możliwość tworzenia w pełni niestandardowych układów scalonych cyfrowych, analogowych lub mixed-signal, które zapewniają dedykowaną funkcję przesuwania poziomów albo mają tę funkcję wbudowaną. Te programowalne procesory mixed-signal umożliwiają konsolidację dodatkowych funkcji logicznych implementowanych bezpośrednio w krzemie, co pozwala tworzyć mniejsze i bardziej wydajne systemy.

Aby dowiedzieć się więcej, zapoznaj się z komponentami GreenPAK i przykładami referencyjnymi.

• Dowiedz się więcej o komponentach GreenPAK
• Zobacz rozwiązania GreenPAK do translacji poziomów

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD oferowanych przez Altium, aby wdrożyć swoje rozwiązania GreenPAK. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do projektowania i rozwoju produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się już dziś z ekspertem Altium!