Muchos de los sistemas portátiles actuales combinan dispositivos que funcionan con diferentes voltajes operativos. Los traductores de voltaje unidireccionales que suben y bajan los niveles de voltaje ayudan a estos diversos dispositivos a trabajar juntos de manera más eficiente. Varias familias de lógica estándar incluyen funciones para admitir la traducción de nivel bajo a alto o de alto a bajo.
importante
Los diseñadores de hoy en día a menudo tienen que trabajar con dispositivos que utilizan diferentes voltajes operativos. Esto es especialmente cierto en aplicaciones portátiles donde es probable que el procesador, la memoria y los periféricos requieran diferentes voltajes de suministro de energía. En tales situaciones, el nivel de voltaje de salida del dispositivo controlador debe cambiarse hacia arriba o hacia abajo para que el dispositivo receptor pueda interpretarlo correctamente (Figura 1).
Los dispositivos que convierten el voltaje de un nivel bajo a un nivel alto o de un nivel alto a un nivel bajo también transfieren datos. La transferencia de datos puede funcionar en una dirección (unidireccional) o en dos direcciones (bidireccional). Para nuestros propósitos, veremos las traducciones unidireccionales.
Conversión de bajo a alto nivel
Los dispositivos lógicos con entradas de bajo umbral o salidas de drenaje abierto se pueden usar para la traducción de bajo a alto nivel.
Dispositivos con entradas de umbral bajo
Los dispositivos CMOS con umbrales de conmutación de entrada inferiores a los estándar se pueden utilizar para la conversión de bajo a alto (Figura 2).
La combinación del tamaño de N1 y la caída de voltaje del diodo D1 determina el umbral de entrada. El P2 PMSO también reduce la corriente de la barra transversal a través del inversor.
Varias familias lógicas estándar están disponibles para este propósito. Por ejemplo, las series NXP AHC(T) y HCT funcionan en el rango de 5 V y se pueden utilizar para interactuar con salidas de 3,3 V. Las series NXP AUP1T y NX3 funcionan en el rango de 3,6 V y se pueden usar para interactuar con una salida de 1,8 V.
Dispositivo con salida de drenaje abierto
Los dispositivos con salidas de drenaje abierto permiten que la salida se eleve a un nivel de voltaje que coincida con los requisitos de entrada del dispositivo que está manejando. Se utiliza una resistencia pull-up en la salida para la traducción de nivel (Figura 3).
Como ejemplo, el NXP 74AUP1G07 (búfer de baja potencia con salida de drenaje abierto) puede usarse para convertir de 1,8 V a 3,6 V. Un nivel de suministro y entrada de 1,8 V permite que la salida de drenaje abierto se levante. De manera similar, el NXP 74LVC1G07, un búfer de 3 V con salida de drenaje abierto, se puede usar para convertir de 3 V a 5 V. V, la salida de drenaje abierto puede elevarse hasta 5 V.
Tenga en cuenta, sin embargo, que el uso de una resistencia pull-up con una salida de drenaje abierto hará que el dispositivo consuma más corriente de reposo, ya que la resistencia pull-up externa consumirá más energía. Además, los tiempos de subida y bajada de salida son los valores de las resistencias pull-up utilizadas.
Conversión de alto nivel a bajo nivel
Esta categoría incluye dispositivos con diodos de abrazadera de entrada y resistencias limitadoras de corriente y dispositivos con entradas tolerantes a sobretensiones.
Si el controlador está operando a un voltaje de suministro más alto que el receptor, el nivel de voltaje de salida del controlador debe reducirse para que coincida con el umbral de conmutación de entrada del receptor (Figura 4).
Esto protege la entrada del receptor de condiciones de sobrevoltaje, subvoltaje y sobrecorriente. La impedancia de salida del controlador debe coincidir con la impedancia del cable/traza para que no haya reflejos del lado del receptor. La protección ESD integrada también ayuda a suprimir transitorios no deseados debido a sobretensiones de rastreo.
Dispositivo con diodo de abrazadera de entrada y resistencia limitadora de corriente
Algunos dispositivos lógicos tienen diodos de sujeción de entrada a VCC y GND en sus entradas (Figura 5). Los diodos de abrazadera de entrada sirven como protección contra sobrevoltaje y ESD. Cuando se utiliza un dispositivo CMOS con una resistencia limitadora de corriente en la entrada, el voltaje de entrada puede exceder el valor máximo especificado siempre que se respete la clasificación de corriente máxima.
En algunos casos, especialmente en aplicaciones industriales y automotrices, es posible que los dispositivos lógicos deban interactuar con voltajes muy por encima del límite normal de 5 V. En tales casos, elija un dispositivo lógico con un diodo de abrazadera de entrada y use una resistencia limitadora de corriente. Las familias LV, HC y HEF de NXP tienen diodos de abrazadera de entrada a VCC que se pueden usar con resistencias limitadoras de corriente para transiciones de alto a bajo.
Dispositivos con entradas tolerantes a sobretensiones
La nueva estructura ESD elimina el diodo a VCC y utiliza un NMOS conectado a tierra (Figura 6). Sin el diodo, se puede aplicar cualquier voltaje dentro de los límites del proceso de fabricación a la entrada sin abrir una ruta de corriente a VCC. Como resultado, los niveles lógicos más allá de la fuente de alimentación del dispositivo se pueden aplicar a las entradas sin afectar la aplicación.
Un dispositivo con una entrada tolerante a la sobretensión puede soportar un VIN superior a VCC, mientras que la salida oscila solo hasta VCC, lo que lo hace adecuado para la conversión de alto a bajo. Las familias NXP LVC, LVT, ALVT y AHC(T) tienen entradas tolerantes a sobretensiones de hasta 5,5 V, siempre que se respeten las clasificaciones de corriente de entrada y salida. Las entradas de los dispositivos AUP y AVC son tolerantes a 3,6 V, lo que los hace adecuados para diseños que utilizan una combinación de dispositivos de 1,8 V y 3,3 V.
Conclusión
Si un sistema requiere traducción de voltaje unidireccional y necesita cambiar los niveles de voltaje de bajo a alto o de alto a bajo, los dispositivos lógicos estándar suelen ser adecuados para esa función. Muchos dispositivos lógicos estándar con características como entradas de umbral bajo, salidas de drenaje abierto, entradas TTL, diodos de sujeción de entrada, resistencias limitadoras de corriente y entradas tolerantes a sobretensiones admiten cambios de nivel unidireccionales. Como resultado, los sistemas de voltaje mixto pueden operar sin flujo de corriente dañino o pérdida de señal, lo que ayuda a mejorar la eficiencia y ahorrar energía.
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