Как сделать преобразование уровней смешанных сигналов более компактным

Преобразование уровней напряжения обычно рассматривается как исключительно 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 таких случаях мы обычно проверяем, способен ли вход корректно воспринимать ожидаемый уровень сигнала, и при необходимости корректируем уровень с помощью резисторов или специализированной микросхемы преобразования уровней. В случае цифровых данных, таких как интерфейсы I2C или SPI, чаще всего используется микросхема преобразования уровней, рассчитанная на конкретную 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 преобразование по-прежнему важно по тем же причинам, что и в цифровых проектах, и требует от схемотехников больше усилий при разработке схемных решений для сдвига уровней. Существуют способы сделать такие решения более компактными для аналоговых и смешанных систем, и именно их мы рассмотрим в этой статье.

Цифровые преобразователи уровней

Преобразование уровней для цифровых сигналов можно реализовать, построив схему на дискретных компонентах, но из-за скорости работы и сложности таких схем гораздо разумнее использовать микросхему преобразования уровней. Эти компоненты обеспечивают непосредственное преобразование уровней цифровых сигналов между двумя напряжениями, которые задаются отдельными источниками питания. Такие компоненты широко представлены у производителей полупроводниковых изделий, и хотя их характеристики могут отличаться, у них могут быть одинаковые распиновки и корпуса.

Некоторые важные электрические характеристики преобразователей уровней включают:

• Поддерживаемые интерфейсы (I2C, SPI и т. д.)
• Скорость нарастания выходного сигнала и предельную тактовую частоту/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 либо представлять собой простое преобразование уровней GPIO с выходами open-drain или push-pull. Кроме того, некоторые компоненты могут поддерживать очень широкий диапазон входных напряжений на одной стороне преобразователя. Например, Renesas part number 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 Texas Instruments part number TXV0108 (фирменный вариант корпуса RGY). Такое расположение выводов значительно упрощает fan-in и fan-out.

Расположение контактных площадок на цифровых преобразователях уровней позволяет напрямую разводить входы/выходы 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 обоих действий одновременно. Обычно это реализуется с помощью специализированной схемы, как правило на операционных усилителях, и в процессе преобразования уровней часто дополнительно применяется фильтрация для подавления шума.

В зависимости от того, какого инженера вы спросите, можно найти несколько способов получить один и тот же тип и величину сдвига уровня, применяемого к аналоговому сигналу, причем каждый из них ориентирован на определенный тип сигнала или диапазон частот (или и то и другое). Вероятно, именно поэтому специализированные аналоговые преобразователи уровней с конкретной топологией так и не были реализованы в виде микросхем. Тем не менее мы видели несколько интересных методов реализации преобразования уровней для аналоговых сигналов:

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

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

Преобразование уровней смешанных сигналов в GreenPAK

Очевидно, что для цифровых проектов существует множество решений, и можно построить решения преобразования уровней и для аналоговых проектов, но как быть со смешанными интерфейсами? Такие компоненты должны разрабатываться специально на уровне кремния, и именно это возможно с программируемым процессором смешанных сигналов, таким как GreenPAK.

В компоненте GreenPAK разработчик может настроить макроячейки смешанных сигналов для одновременного преобразования уровней цифровых и аналоговых сигналов, даже в асинхронном режиме. Устройства GreenPAK позволяют одновременно выполнять преобразование уровней для 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 для аналоговых сигналов.

Графическое программирование компонента GreenPAK.

Инструменты разработки Renesas GreenPAK дают инженерам возможность создавать полностью пользовательские цифровые, аналоговые или смешанные ИС, обеспечивающие выделенную функцию преобразования уровней либо преобразование уровней как встроенную функцию. Эти программируемые процессоры смешанных сигналов позволяют объединять дополнительные логические функции, реализуемые непосредственно на уровне кремния, что дает возможность создавать более компактные и эффективные системы.

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

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

Если вам нужно создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для 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 проектных команд. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!