Tornando o deslocamento de nível de sinais mistos mais compacto

A tradução de tensão normalmente é tratada como um problema puramente digital. Por exemplo, um dispositivo de 1,8 V precisa se comunicar com um dispositivo de 3,3 V, e o dispositivo de 3,3 V precisa interagir com outro dispositivo de 5 V, e assim por diante. Nesses casos, normalmente verificamos se uma entrada consegue lidar com um nível de sinal esperado, e podemos ajustar o nível com resistores ou com um CI dedicado de level shifter. No caso de dados digitais, como uma interface I2C ou SPI, o mais comum é usar um CI level shifter classificado para a especificação em questão.

Em nossa experiência, o level shifting acontece com muito mais frequência em sistemas analógicos do que em sistemas digitais e, ainda assim, não existem soluções compactas para implementar level shifting analógico em uma PCB. No entanto, o deslocamento de nível analógico continua sendo importante pelos mesmos motivos que nos projetos digitais, e exige mais esforço dos projetistas de circuitos para criar soluções baseadas em circuitos para level shifting. Há formas de tornar isso mais compacto para sistemas analógicos e de sinal misto, que discutiremos neste artigo.

Level Shifters Digitais

O level shifting com sinais digitais pode ser realizado construindo um circuito com componentes discretos, mas, devido à velocidade e à complexidade desses circuitos, faz mais sentido usar um CI level shifter. Esses componentes fornecem level shifting direto entre duas tensões para sinais digitais, com tensões fornecidas por fontes de alimentação separadas. Esses componentes são comuns entre os fabricantes de semicondutores e, embora diferenciem-se nas especificações, podem ter pinagens e encapsulamentos em comum.

Algumas especificações elétricas importantes de level shifters incluem:

• Interfaces suportadas (I2C, SPI etc.)
• Taxa de slew de saída e limite de frequência de clock/taxa de dados
• Direcionalidade (unidirecional vs. bidirecional)
• Resistência no estado ligado (ON-state)
• Recursos integrados adicionais, como proteção de circuito ou taxa de slew configurável

Normalmente, esses componentes suportam interfaces single-ended, que podem ser padronizadas ou simples level shifting de GPIO, seja como open-drain ou push-pull. Além disso, alguns componentes podem suportar faixas de tensão de entrada muito amplas em um dos lados do shifter. Por exemplo, o componente Renesas número RH4Z2501 também funciona como line driver e pode suportar tensões de entrada de até 36 V.

Em level shifters bidirecionais, os arranjos de pads geralmente são posicionados em cada lado do encapsulamento do componente. Um exemplo para o componente Texas Instruments TXV0108 (opção de encapsulamento proprietária RGY) é mostrado abaixo. Essa disposição de pinos torna fan-in e fan-out muito mais simples.

Os arranjos de pads em level shifters digitais permitem roteamento direto de entrada/saída em cada lado do componente em um layout de PCB.

Circuitos de Level Shifting Analógico

O level shifting analógico envolve ajustar o nível de um sinal analógico aplicando um offset DC, aumentando/diminuindo a tensão de pico do sinal analógico, ou ambos. Isso normalmente é realizado com circuitos personalizados, geralmente construídos com amplificadores operacionais, e é comum aplicar alguma filtragem adicional no processo de level shifting com o objetivo de limpar o ruído.

Dependendo do engenheiro a quem você perguntar, você encontrará várias formas de obter o mesmo tipo e magnitude de level shifting aplicado a um sinal analógico, cada uma delas dedicada a um tipo diferente de sinal ou faixa de frequência (ou ambos). Na verdade, esse provavelmente é o motivo pelo qual level shifters analógicos dedicados com topologia específica nunca foram desenvolvidos como CIs. Dito isso, vimos vários métodos interessantes para implementar level shifting com sinais analógicos:

• Soluções baseadas em amplificadores operacionais
• Projetos de cadeia de sinal ADC-MCU-DAC
• Soluções com amplificador operacional + ADC/DAC
• Circuitos baseados em divisor resistivo (para step-down)
• Soluções de buffer bidirecional

Esta é apenas uma pequena seleção das abordagens possíveis para level shifting com sinais analógicos. Com tantas opções disponíveis, deve ficar claro por que é difícil encontrar soluções integradas. É aqui que um processador de sinal misto pode agregar valor como uma solução integrada para level shifting analógico.

Level Shifting de Sinal Misto no GreenPAK

Claramente, há muitas soluções para projetos digitais, e é possível construir soluções de level shifting para projetos analógicos, mas e quanto às interfaces de sinal misto? Esses componentes precisariam ser projetados sob medida em silício, e é exatamente isso que é possível com um processador programável de sinal misto como o GreenPAK.

Em um componente GreenPAK, um projetista pode configurar macrocélulas de sinal misto para level shifting de sinais digitais e analógicos simultaneamente, até mesmo de forma assíncrona. Os dispositivos GreenPAK permitem level shifting simultâneo de múltiplos sinais com processamento lógico adicional implementado no dispositivo, conforme necessário. Isso significa que um projetista pode acomodar interfaces digitais padrão, lógica personalizada, ou ambos, juntamente com level shifting para sinais analógicos.

Programação gráfica de um componente GreenPAK.

As ferramentas de desenvolvimento do Renesas GreenPAK dão aos projetistas a capacidade de desenvolver CIs totalmente personalizados, digitais, analógicos ou de sinal misto, que fornecem uma função dedicada de level shifting, ou level shifting como um recurso embutido. Esses processadores programáveis de sinal misto permitem a consolidação de funções lógicas adicionais instanciadas diretamente em silício, possibilitando sistemas menores e mais eficientes.

Para saber mais, dê uma olhada nos componentes GreenPAK e nos exemplos de referência.

• Saiba mais sobre os componentes GreenPAK
• Veja as soluções de level shifter GreenPAK

Se você precisa desenvolver eletrônica de potência confiável ou sistemas digitais avançados, use o conjunto completo de recursos de projeto de PCB e as ferramentas CAD de classe mundial oferecidas pela Altium para implementar suas soluções GreenPAK. A Altium fornece a principal plataforma do mundo para desenvolvimento de produtos eletrônicos, completa com as melhores ferramentas de projeto de PCB do setor e recursos de colaboração multidisciplinar para equipes de projeto avançadas. Entre em contato hoje mesmo com um especialista da Altium!