Bardziej kompaktowe przesuwanie poziomów w układach mieszanych analogowo-cyfrowych

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

Z naszego doświadczenia wynika, że translacja poziomów znacznie częściej występuje w systemach analogowych niż cyfrowych, a mimo to nie istnieją kompaktowe rozwiązania do realizacji analogowej translacji poziomów na PCB. Jednak analogowa translacja poziomów jest nadal ważna z tych samych powodów co w projektach cyfrowych i wymaga od projektantów układów większego wysiłku przy opracowywaniu obwodowych rozwiązań do translacji poziomów. Istnieją sposoby, aby uczynić to bardziej kompaktowym w systemach analogowych i mieszanych, które omówimy w tym artykule.

Cyfrowe układy do translacji poziomów

Translację poziomów w sygnałach cyfrowych można zrealizować, budując obwód z elementów dyskretnych, jednak ze względu na szybkość działania i złożoność takich układów bardziej sensowne jest użycie układu IC do translacji poziomów. Komponenty te zapewniają bezpośrednią translację poziomów między dwoma napięciami dla sygnałów cyfrowych, przy czym napięcia są dostarczane przez oddzielne zasilacze. Komponenty te są powszechnie dostępne u producentów półprzewodników i choć różnią się specyfikacjami, mogą mieć wspólne wyprowadzenia i obudowy.

Do ważnych parametrów elektrycznych układów do translacji poziomów należą:

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

Zazwyczaj obsługują one interfejsy single-ended, które mogą być zestandaryzowane lub służyć do prostej translacji poziomów GPIO, zarówno w konfiguracji open-drain, jak i push-pull. Ponadto niektóre komponenty mogą obsługiwać bardzo szerokie zakresy napięcia wejściowego po jednej stronie translatora. Na przykład Renesas part number RH4Z2501 pełni również funkcję sterownika linii i może obsługiwać napięcia wejściowe do 36 V.

W dwukierunkowych układach do translacji poziomów rozmieszczenie padów jest często realizowane po obu stronach obudowy komponentu. Przykład dla układu Texas Instruments TXV0108 (własnościowy wariant obudowy RGY) pokazano poniżej. Taki układ wyprowadzeń znacznie upraszcza fan-in i fan-out.

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

Obwody analogowej translacji poziomów

Analogowa translacja poziomów polega na dostosowaniu poziomu sygnału analogowego przez dodanie składowej stałej DC, zwiększenie/zmniejszenie napięcia szczytowego sygnału analogowego lub jedno i drugie. Zwykle realizuje się to za pomocą niestandardowych obwodów, najczęściej budowanych z użyciem wzmacniaczy operacyjnych, i często w procesie translacji poziomów stosuje się dodatkowe filtrowanie w celu redukcji szumów.

W zależności od tego, którego inżyniera zapytasz, znajdziesz wiele sposobów uzyskania tego samego typu i tej samej wielkości translacji poziomów zastosowanej 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 translacji poziomów o określonej topologii nigdy nie zostały zbudowane jako układy IC. Mimo to widzieliśmy kilka interesujących metod realizacji translacji poziomów w sygnałach analogowych:

• Rozwiązania oparte na wzmacniaczach operacyjnych
• Projekty łańcucha sygnałowego ADC-MCU-DAC
• Rozwiązania opamp + ADC/DAC
• Obwody oparte na dzielniku rezystorowym (do obniżania poziomu)
• Rozwiązania z buforem dwukierunkowym

To tylko niewielki wybór możliwych podejść do translacji poziomów w sygnałach analogowych. Przy tak wielu dostępnych opcjach łatwo zrozumieć, dlaczego trudno znaleźć rozwiązania zintegrowane. W tym miejscu procesor mixed-signal może stanowić wartościowe, zintegrowane rozwiązanie dla analogowej translacji poziomów.

Translacja poziomów mixed-signal w GreenPAK

Oczywiście istnieje wiele rozwiązań dla projektów cyfrowych i możliwe jest zbudowanie rozwiązań translacji poziomów dla projektów analogowych, ale co z interfejsami mixed-signal? Takie komponenty musiałyby być projektowane niestandardowo w krzemie i właśnie to jest możliwe dzięki programowalnemu procesorowi mixed-signal, takiemu jak GreenPAK.

W komponencie GreenPAK projektant może skonfigurować makrokomórki mixed-signal do jednoczesnej translacji poziomów sygnałów cyfrowych i analogowych, nawet w sposób asynchroniczny. Układy GreenPAK umożliwiają jednoczesną translację poziomów wielu sygnałów wraz z dodatkowym przetwarzaniem logicznym zaimplementowanym w urządzeniu w razie potrzeby. Oznacza to, że projektant może obsłużyć standardowe interfejsy cyfrowe, logikę niestandardową lub jedno i drugie obok translacji poziomów dla sygnałów analogowych.

Programowanie graficzne komponentu GreenPAK.

Narzędzia deweloperskie Renesas GreenPAK dają projektantom możliwość opracowywania w pełni niestandardowych układów IC cyfrowych, analogowych lub mixed-signal, które zapewniają dedykowaną funkcję translacji poziomów albo translację poziomów jako 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 translacji poziomów GreenPAK

Niezależnie od tego, czy musisz tworzyć niezawodną energoelektronikę, czy zaawansowane systemy cyfrowe, wykorzystaj kompletny zestaw funkcji projektowania PCB oraz światowej klasy narzędzia CAD oferowane przez Altium, aby wdrożyć swoje rozwiązania GreenPAK. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do 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!