Как сделать преобразование уровней смешанных сигналов более компактным

Преобразование уровней напряжения обычно рассматривается как сугубо цифровая задача. Например, устройству на 1,8 В нужно обмениваться данными с устройством на 3,3 В, а устройству на 3,3 В — взаимодействовать с другим устройством на 5 В, и так далее. В этих случаях мы обычно проверяем, может ли вход корректно воспринимать ожидаемый уровень сигнала, и при необходимости подстраиваем уровень с помощью резисторов или специализированной ИС преобразователя уровней. В случае цифровых данных, таких как интерфейсы I2C или SPI, чаще всего используется ИС преобразователя уровней, рассчитанная на соответствующую спецификацию.

По нашему опыту, преобразование уровней гораздо чаще встречается в аналоговых системах, чем в цифровых, и при этом для реализации аналогового преобразования уровней на PCB не существует компактных решений. Тем не менее аналоговое смещение уровня по-прежнему важно по тем же причинам, что и в цифровых схемах, и требует от разработчиков схемотехники больше усилий для создания схемных решений. Существуют способы сделать это более компактным для аналоговых и смешанных систем, и именно их мы рассмотрим в этой статье.

Цифровые преобразователи уровней

Преобразование уровней цифровых сигналов можно выполнить, собрав схему из дискретных компонентов, но из-за скорости работы и сложности таких схем гораздо разумнее использовать ИС преобразователя уровней. Эти компоненты обеспечивают прямое преобразование уровней между двумя напряжениями для цифровых сигналов, при этом напряжения подаются от отдельных источников питания. Такие компоненты широко представлены у производителей полупроводниковых изделий и, хотя различаются по характеристикам, могут иметь одинаковые корпуса и распиновку.

Некоторые важные электрические характеристики преобразователей уровней включают:

• Поддерживаемые интерфейсы (I2C, SPI и т. д.)
• Скорость нарастания выходного сигнала и предельная тактовая частота/скорость передачи данных
• Направленность (однонаправленные или двунаправленные)
• Сопротивление в открытом состоянии
• Дополнительные встроенные функции, такие как защита цепей или настраиваемая скорость нарастания

Обычно они поддерживают несимметричные интерфейсы, которые могут быть стандартизированными или представлять собой простое преобразование уровней GPIO в режимах open-drain или push-pull. Кроме того, некоторые компоненты могут поддерживать очень широкий диапазон входных напряжений на одной из сторон преобразователя. Например, деталь Renesas с номером RH4Z2501 также работает как линейный драйвер и поддерживает входные напряжения до 36 В.

В двунаправленных преобразователях уровней контактные площадки часто располагаются по обеим сторонам корпуса компонента. Ниже показан пример для компонента Texas Instruments TXV0108 (фирменный вариант корпуса RGY). Такое расположение выводов значительно упрощает fan-in и fan-out.

Расположение контактных площадок в цифровых преобразователях уровней позволяет выполнять прямую трассировку входов/выходов с каждой стороны компонента в PCB layout.

Схемы аналогового преобразования уровней

Аналоговое преобразование уровней включает изменение уровня аналогового сигнала путем добавления смещения по постоянному току, увеличения/уменьшения пикового напряжения аналогового сигнала или сочетания обоих подходов. Обычно это реализуется с помощью специализированных схем, как правило, на операционных усилителях, и в процессе преобразования уровня нередко дополнительно применяется фильтрация для подавления шумов.

В зависимости от того, какого инженера вы спросите, можно найти несколько способов добиться одного и того же типа и величины смещения уровня, применяемого к аналоговому сигналу, причем каждый из них ориентирован на определенный тип сигнала или диапазон частот (либо и то и другое). Фактически это, вероятно, одна из причин, почему специализированные аналоговые преобразователи уровней с конкретной топологией никогда не выпускались в виде ИС. Тем не менее мы видели несколько интересных методов реализации преобразования уровней для аналоговых сигналов:

• Решения на базе операционных усилителей
• Сигнальные тракты ADC-MCU-DAC
• Решения на базе операционного усилителя + ADC/DAC
• Схемы на основе резистивного делителя (для понижения уровня)
• Двунаправленные буферные решения

Это лишь небольшой набор возможных подходов к преобразованию уровней аналоговых сигналов. При таком количестве вариантов становится понятно, почему интегрированные решения встречаются редко. Именно здесь процессор смешанных сигналов может оказаться ценным как интегрированное решение для аналогового преобразования уровней.

Преобразование уровней в системах смешанных сигналов в GreenPAK

Очевидно, что для цифровых схем существует множество решений, и для аналоговых схем тоже можно создать решения по преобразованию уровней, но что насчет интерфейсов смешанных сигналов? Такие компоненты необходимо было бы специально проектировать в кремнии, и именно это возможно с программируемым процессором смешанных сигналов, таким как GreenPAK.

В компоненте GreenPAK разработчик может конфигурировать макроячейки смешанных сигналов для одновременного преобразования уровней цифровых и аналоговых сигналов, даже в асинхронном режиме. Устройства GreenPAK позволяют одновременно выполнять преобразование уровней нескольких сигналов с дополнительной логической обработкой, реализуемой в устройстве по мере необходимости. Это означает, что разработчик может использовать стандартные цифровые интерфейсы, пользовательскую логику или и то и другое наряду с преобразованием уровней аналоговых сигналов.

Графическое программирование компонента GreenPAK.

Инструменты разработки Renesas GreenPAK дают разработчикам возможность создавать полностью пользовательские цифровые, аналоговые или смешанные ИС, которые обеспечивают выделенную функцию преобразования уровней либо включают преобразование уровней как встроенную функцию. Эти программируемые процессоры смешанных сигналов позволяют консолидировать дополнительные логические функции, реализуемые непосредственно в кремнии, что делает системы меньше и эффективнее.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с компонентами GreenPAK и эталонными примерами.

• Узнайте больше о компонентах GreenPAK
• Посмотреть решения GreenPAK для преобразования уровней

Независимо от того, нужно ли вам создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и CAD-инструменты мирового класса, предлагаемые Altium, для реализации ваших решений на базе GreenPAK. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования PCB и средства междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!