Traslazione dei livelli di tensione dei segnali

Introduzione

Quando  iniziamo un progetto elettronico, ci troviamo di fronte alla scelta dei componenti o dei sensori  da utilizzare, che possono  avere  tecnologie differenti.

Generalmente il livello di tensione degli ingressi e delle uscite dei dispositivi,  tende a diminuire con l’aumentare delle prestazioni ed è fortemente influenzata dalla tecnologia.

Quando si inizia un progetto, si  selezionano i dispositivi elettronici più idonei per la nostra applicazione, ed essi potrebbero avere tecnologie diverse e quindi si pone il problema di come connetterli tra di loro.   

Facciamo un esempio , molto spesso  ho dovuto collegare dei sensori alimentati a 3,3V e connetterli ad un dispositivo alimentato a 5V, ovviamente questa incompatibilità può provocare la rottura dei dispositivi.

Sul mercato sono stati introdotti dei componenti elettronici che svolgono la funzione di adattamento di livelli e che risolvono il problema appena esposto.

Metodo del partitore resistivo

Questo è  il metodo più semplice ma meno affidabile poiché non si ha mai la certezza di avere adattato correttamente i livelli di tensione, perche’ i livelli dei segnali d’uscita dei circuiti integrati sono compresi in un certo intervallo (nel prossimo paragrafo te lo spiegherò con maggiori dettagli).

Un altro problema che introduce questa soluzione è quella  di rendere i fronti di salita e di discesa dei segnali meno ripidi, fenomeno legato alle capacità d’ingresso dei circuiti integrati.

Problema di adattamento dei livelli di tensione con un partitore resistivo

Nella figura riportata di seguito, estratta da un datasheet , sono indicati i livelli elettrici della tecnologia TTL, puoi osservare che il livello di tensione, quando l’uscita è alta, puo’ essere compresa tra 2,7V e 5V.

Mentre, nella figura di seguito, sono riportati i livelli di tensione dei segnali d’ingresso e d’uscita di una logica CMOS 3.3V.

Se usassimo un partitore di tensione otterremo il seguente risultato se la tensione di uscita della logica TTL è 5V:

In questa particolare condizione, le due logiche sono compatibili tra di loro, poiche’ nel punto di prelievo della tensione il livello raggiunge i 3V.

Ma, supponiamo che la tensione d’uscita della logica TTL è il valore minimo, cioè 2.7V.

In questa condizione non si ha più la compatibilità e la comunicazione tra i due circuiti non è garantita poiche’ il valore alto di tensione raggiunge il livello di 1.6V.

Questa incompatibilità provoca dei malfunzionamenti nella comunicazione, cioè un livello alto potrebbe essere interpretato come basso. 

Adattamento dei livelli tramite MOSFET

In commercio sono disponibile delle boards, come la BOB-12009 , che integra in un PCB di pochi cm² quattro MOSFET  BSS138LT1,  con i quali possiamo realizzare un traslatore di livelli bidirezionale.

Analizziamo il principio di funzionamento  e di seguito è riportato lo schema elettrico:

Per descrivere la traslazione dei livelli dobbiamo considerare  tre condizioni:

Condizione 1. I due livelli di tensione dei due bus si trovano a livello alto.

I pins del  “gate” e il “source” del MOS-FET sono entrambi a 3.3 V, quindi la ddp (differenza di potenziale)  VGS è 0V,  e il MOS-FET non è in conduzione.

Pertanto il  MOS-FET è interdetto e entrambi bus sono isolati e a livello alto, ma con una tensione diversa.

Condizione 2. Il dispositivo alimentato a 3.3 V porta la linea del bus a livello basso e quindi anche il  pin di “source” del MOS-FET, mentre il pin  “gate” rimane a 3.3 V.

La ddp VGS è di 3.3V, quindi, sopra la soglia di conduzione del  MOS-FET , che entra in conduzione.

A questo punto, sull’ingresso della logica 5V TTL è presente un livello basso, poiche’ il potenziale del “drain” e’ uguale a quello del “source”.

Condizione 3. Il dispositivo alimentato a 5 V porta la linea del bus a livello basso.

Tramite il diodo del MOS-FET, il pin “source” si porta a livello basso e la ddp VGS è di 3.3V sopra la soglia di conduzione del  MOS-FET che entra in conduzione.

A questo punto, sull’ingresso della logica 3.3V CMOS è presente un livello basso.

Conclusioni

Quando si progetta un circuito  elettronico è fondamentale consultare il datasheet dei componenti utilizzati e verificare la compatibilità dei segnali, altrimenti si rischia di vanificare l’intero lavoro.

Se livelli di tensione  tra due circuiti integrati non fossero compatibili si potrebbero avere dei malfunzionamenti del sistema e/o la sua rottura Spero che questo post ti sia sto utile, e se dovessi avere dei dubbi non esitare a contattarmi nel form riportato di seguito.

Buon Lavoro!