Làm cho việc chuyển mức tín hiệu hỗn hợp trở nên gọn hơn

Dịch mức điện áp thường được xem như một vấn đề thuần túy của mạch số. Ví dụ, một thiết bị 1.8V cần giao tiếp với một thiết bị 3.3V, và thiết bị 3.3V cần tương tác với một thiết bị khác ở 5V, v.v. Trong những trường hợp này, chúng ta thường kiểm tra xem đầu vào có thể chịu được mức tín hiệu dự kiến hay không, và có thể điều chỉnh mức bằng điện trở hoặc IC dịch mức chuyên dụng. Với dữ liệu số, chẳng hạn như giao diện I2C hoặc SPI, IC dịch mức được đánh giá theo đúng tiêu chuẩn tương ứng là lựa chọn phổ biến nhất.

Theo kinh nghiệm của chúng tôi, dịch mức xảy ra thường xuyên hơn nhiều trong các hệ thống tương tự so với hệ thống số, tuy nhiên lại không có các giải pháp gọn nhẹ để triển khai dịch mức tương tự trên PCB. Dù vậy, dịch mức tương tự vẫn quan trọng vì những lý do tương tự như trong các thiết kế số, và điều này đòi hỏi các nhà thiết kế mạch phải đầu tư nhiều công sức hơn để đưa ra các giải pháp dịch mức dựa trên mạch. Có những cách để làm cho việc này trở nên gọn hơn đối với các hệ thống tương tự và mixed-signal, và chúng ta sẽ thảo luận trong bài viết này.

Bộ dịch mức số

Dịch mức với tín hiệu số có thể được thực hiện bằng cách xây dựng mạch từ các linh kiện rời rạc, nhưng do tốc độ và độ phức tạp của các mạch này, việc sử dụng IC dịch mức sẽ hợp lý hơn. Các linh kiện này cung cấp khả năng dịch mức trực tiếp giữa hai mức điện áp cho tín hiệu số, với điện áp được cấp từ các bộ nguồn riêng biệt. Các linh kiện này rất phổ biến среди các nhà sản xuất bán dẫn, và dù thông số kỹ thuật có khác nhau, chúng vẫn có thể có sơ đồ chân và kiểu vỏ chung.

Một số thông số điện quan trọng của bộ dịch mức bao gồm:

• Các giao diện được hỗ trợ (I2C, SPI, v.v.)
• Tốc độ sườn đầu ra và giới hạn tần số xung nhịp/tốc độ dữ liệu
• Tính định hướng (một chiều so với hai chiều)
• Điện trở trạng thái ON
• Các tính năng tích hợp bổ sung, chẳng hạn như bảo vệ mạch hoặc tốc độ sườn có thể cấu hình

Thông thường, các linh kiện này hỗ trợ các giao diện single-ended, có thể là giao diện tiêu chuẩn hóa hoặc dịch mức GPIO đơn giản theo kiểu open-drain hoặc push-pull. Ngoài ra, một số linh kiện có thể hỗ trợ dải điện áp đầu vào rất lớn ở một phía của bộ dịch mức. Ví dụ, mã linh kiện Renesas RH4Z2501 cũng hoạt động như một bộ kích đường truyền và có thể hỗ trợ điện áp đầu vào lên đến 36V.

Trong các bộ dịch mức hai chiều, cách bố trí pad thường được đặt ở mỗi bên của vỏ linh kiện. Ví dụ về mã linh kiện Texas Instruments TXV0108 (tùy chọn vỏ RGY độc quyền) được minh họa bên dưới. Cách bố trí chân này giúp việc fan-in và fan-out trở nên đơn giản hơn nhiều.

Cách bố trí pad trên các bộ dịch mức số cho phép định tuyến trực tiếp đầu vào/đầu ra ở mỗi phía của linh kiện trong bố trí PCB.

Mạch dịch mức tương tự

Dịch mức tương tự bao gồm việc điều chỉnh mức của tín hiệu tương tự bằng cách áp dụng một độ lệch DC, tăng/giảm điện áp đỉnh của tín hiệu tương tự, hoặc cả hai. Việc này thường được thực hiện bằng mạch tùy chỉnh, điển hình là xây dựng với op-amp, và thông thường người ta cũng áp dụng thêm một số lọc trong quá trình dịch mức để làm sạch nhiễu.

Tùy bạn hỏi kỹ sư nào, bạn sẽ thấy có nhiều cách để đạt được cùng một kiểu và cùng một độ lớn dịch mức áp dụng cho tín hiệu tương tự, mỗi cách được dành cho một loại tín hiệu hoặc dải tần số khác nhau (hoặc cả hai). Thực tế, đây có lẽ là lý do khiến các bộ dịch mức tương tự chuyên dụng với cấu trúc liên kết cụ thể chưa từng được chế tạo thành IC. Tuy nhiên, chúng tôi đã thấy một số phương pháp thú vị để triển khai dịch mức với tín hiệu tương tự:

• Giải pháp dựa trên op-amp
• Thiết kế chuỗi tín hiệu ADC-MCU-DAC
• Giải pháp op-amp + ADC/DAC
• Mạch dựa trên cầu chia điện trở (cho hạ áp)
• Giải pháp bộ đệm hai chiều

Đây chỉ là một lựa chọn nhỏ trong số các phương pháp khả dĩ để dịch mức với tín hiệu tương tự. Với rất nhiều tùy chọn hiện có, có thể thấy rõ vì sao các giải pháp tích hợp lại khó tìm. Đây là lúc một bộ xử lý mixed-signal có thể mang lại giá trị như một giải pháp tích hợp cho dịch mức tương tự.

Dịch mức mixed-signal trong GreenPAK

Rõ ràng là có rất nhiều giải pháp cho thiết kế số, và cũng có thể xây dựng các giải pháp dịch mức cho thiết kế tương tự, nhưng còn các giao diện mixed-signal thì sao? Những linh kiện này sẽ cần được thiết kế tùy chỉnh trên silicon, và đó chính xác là điều có thể thực hiện với một bộ xử lý mixed-signal khả trình như GreenPAK.

Trong một linh kiện GreenPAK, nhà thiết kế có thể cấu hình các macrocell mixed-signal để dịch mức tín hiệu số và tín hiệu tương tự đồng thời, ngay cả theo cách không đồng bộ. Các thiết bị GreenPAK cho phép dịch mức đồng thời nhiều tín hiệu cùng với việc triển khai thêm xử lý logic trong thiết bị khi cần. Điều này có nghĩa là nhà thiết kế có thể kết hợp các giao diện số tiêu chuẩn, logic tùy chỉnh hoặc cả hai cùng với chức năng dịch mức cho tín hiệu tương tự.

Lập trình đồ họa cho một linh kiện GreenPAK.

Các công cụ phát triển trong Renesas GreenPAK mang đến cho nhà thiết kế khả năng phát triển các IC số, tương tự hoặc mixed-signal hoàn toàn tùy chỉnh, cung cấp chức năng dịch mức chuyên dụng hoặc dịch mức như một tính năng tích hợp sẵn. Các bộ xử lý mixed-signal khả trình này cho phép hợp nhất các chức năng logic bổ sung được hiện thực hóa trực tiếp trên silicon, giúp tạo ra các hệ thống nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Để tìm hiểu thêm, hãy xem các linh kiện GreenPAK và các ví dụ tham chiếu.

• Tìm hiểu thêm về các linh kiện GreenPAK
• Xem các giải pháp bộ dịch mức GreenPAK

Dù bạn cần xây dựng các hệ thống điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ cùng các công cụ CAD đẳng cấp thế giới do Altium cung cấp để triển khai các giải pháp GreenPAK của bạn. Altium mang đến nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, hoàn chỉnh với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!