We współczesnych konstrukcjach elektronicznych trudno jest uniknąć konieczności stosowania układów dopasowujących wartości napięć odpowiadające poziomom logicznym przy różnych napięciach zasilania. Stosowane są zarówno rozwiązania bardzo proste jak i bazujące na elementach wyspecjalizowanych, w artykule pokażemy czym się one różnią w praktyce.

Jednym z najpopularniejszych, najprostszych i przy tym doskonale się spisujących rozwiązań jest konwerter tranzystorowy, bazujący na tanich tranzystorach MOSFET np. BSS138 (rysunek 1). Tranzystor pracuje w konfiguracji common-gate, w której linią wejściowo-wyjściową od strony napięcia zasilającego 3,3 V (IO-LV) jest źródło tranzystora, a rolę linii wejściowo-wyjściowej od strony napięcia 5 V (IO-HV) spełnia dren tranzystora. Bramka jest polaryzowana na stale napięciem o wartości 3,3 V co powoduje.

Rys. 1. Schemat elektryczny tranzystorowego ogranicznika napięcia, który spełnia rolę dwukierunkowego konwertera poziomów logicznych

Jest to rozwiązanie stosowane często – ze względu na niski koszt wykonania – w aplikacjach niskobudżetowych. Nie jest ono – niestety – pozbawione wad, przy czym nie we wszystkich aplikacjach mają one znaczenie. Najpoważniejszą jest duża zależność pomiędzy wartością napięcia wyjściowego od wartości napięcia wejściowego i to w obydwu kierunkach konwersji – przykładowe przebiegi są widoczne na filmie poniżej.

Zjawiska zachodzące w układzie z rysunku 1 powodują, że właściwszą nazwą dla tego typu konstrukcji – zamiast konwerter poziomów logicznych – jest ogranicznik napięcia, bo tę funkcję spełnia on znakomicie.

W przypadku rozwiązań, w których wymogi co do jakości translacji poziomów logicznych są większe, zalecane jest stosowanie bardziej zaawansowanych rozwiązań, bazujących na scalonych konwerterach poziomów logicznych jak na przykład ST2378 z oferty STMicroelectronics. Układ ten został m.in. zastosowany w module KAmodLVC firmy KAMAMI.pl, który spełnia rolę uniwersalnego, 8-kanałowego konwertera dwukierunkowego. Uproszczony schemat rozwiązania bazującego na ST2378 pokazano na rysunku 2.

Rys. 2. Uproszczony schemat logiczny dwukierunkowego konwertera poziomów logicznych na układzie ST2378

Podstawową przewagą układu ST2378 zastosowanego w module KAmodLVC jest niezależność – w szerokim zakresie napięć – amplitudy sygnałów wyjściowych od amplitudy sygnałów wejściowych, w obydwu kierunkach konwersji. Ilustruje to powyższy film.

Kolejnymi zaletami rozwiązań bazujących na układach ST2378 (oraz podobnych) jest szeroki dopuszczalny zakres napięć zasilających (w ST2378, od strony low-voltage, napięcie zasilające powinno się mieścić w przedziale 1,7 do 5,5 V), zintegrowana ochrona przeciwprzepięciowa (ESD) linii wejściowych i wyjściowych, duża częstotliwość konwertowanych sygnałów (do 13 MHz), a także zdolność do poprawiania stromości zboczy przenoszonych sygnałów.

Rys. 3. Budowa komórki konwertującej poziomy logiczne w układzie ST2378

Obydwa przedstawione rozwiązania mogą pracować w systemach z liniami danych sterowanymi z wyjść push-pull oraz open-drain, w drugim przypadku należy uważnie dobierać wartości rezystorów podciągających linię danych do plusa zasilania – będą one pracować równolegle z rezystorami widocznymi na schemacie z rysunku 1 lub podobnie włączonymi rezystorami wbudowanymi w linie I/O układu ST2378 (rysunek 3). Rezystancja każdego z nich wynosi ok. 9 kΩ.

Uwagi przedstawione w artykule nie obejmują kompletu zagadnień związanych z konwersją poziomów logicznych, dają natomiast dobre podstawy świadomego dobrania właściwego rozwiązania do cech i wymogów aplikacji, w której taki konwerter ma być użyty.