双向逻辑级转换器如何工作？逻辑级变速器

在本教程中，让我们尝试了解对逻辑级别转换器的需求，不同的方式移动逻辑级别，最后双向逻辑级别转换器如何工作。如果您想将Arduino等5V设备连接到ESP8266或诺基亚5110 LCD等3.3V设备，这将非常重要。

什么是逻辑级别？

信号的逻辑水平是其存在的电压或状态。在数字电子产品的世界中，输入和输出只能具有两个电压级别或状态，通常称为逻辑1和逻辑0，或关闭和关闭，或真实，true，true and False或false或高和低和低。

根据逻辑家族的类型，这些逻辑水平的电压各不相同。如果我们沿着记忆小路沿着旅行，我们可以记住一些逻辑家庭，因为：

• RTL（电阻 - 晶体管逻辑）
• ECL（发射器 - 耦合逻辑）
• DTL（二极管 - 晶体管逻辑）
• TTL（晶体管 - 晶体管逻辑）
• PMO（P型MOS逻辑）
• NMO（N型MOS逻辑）
• CMOS（互补MOS逻辑）

每个逻辑家族都有其自己的逻辑电压级别定义，对应于逻辑高和逻辑低以及其用于输入和输出的阈值。让我们集中在半导体史上两个重要的逻辑家庭：TTL和CMO。

以下图像显示了5V TTL，5V CMO和3.3V TTL逻辑系列的输入和输出电压阈值。

在上图中有一些符号，例如v_il，v_ih，v_ol等等。下表为您提供了这些符号的含义。

为什么我们需要移动逻辑级别？

为了进行比较，让我们选择5V TTL，5V CMO和3.3V CMOS逻辑家族（因为CMO成为现代VLSI和TTL中的主要技术，在早期的“ 74”系列ICS中很受欢迎）。

如果我们想将5V设备与3.3V设备或反之亦然连接怎么办？如果您用阈值电压仔细观察上面的图像，则可以理解问题。

例如，如果要使用5V TTL设备连接3.3V CMOS设备，则不应有任何问题，因为3.3V CMOS设备的逻辑高输出在2.4V和3.3V之间，以及5V TTL设备的逻辑高输入在2V和5V之间。

但是，如果您想以另一种方式连接使用3.3V CMOS设备的5V TTL设备，该怎么办？然后我们有一个问题。3.3V CMOS设备的逻辑高输入在2V和3.3V之间，而5V TTL设备的逻辑高输出在2.4V和5V之间，这显着高于3.3V设备所能处理的设备。

大多数3.3V设备最多可以忍受3.6V，而除此之外，任何东西都可以忍受IC。因此，在连接具有不同逻辑级别的IC或设备时，您必须格外小心。

您可以通过两种方式解决此问题。一种是使用电压分隔电路的粗略方法，另一种方法（也更好）是使用逻辑级转换器或逻辑级别变速杆。

简单的电压分隔器

由于将3.3V设备与5V设备连接在一起没有问题，因此您可以使用3.3V设备连接5V设备时使用电压分隔电路。

我对电压分隔器的基础知识进行了专门的教程。因此，有关更多深入信息，请看一下“电压分隔电路“ 教程。

电压分隔电路只需通过仅使用两个电阻将高输入电压（例如5V）转换为低输出电压（例如3.3V）。

从基本电路理论，我们可以推论V的方程式_出去作为：

v_出去=（v_在* r₂） /（r₁+ r₂）

在上面的电路中，让我们假设V_在是5V和V_出去是3.3V。如果我们选择了r₁AS1kΩ，然后使用上述方程₂为1,914Ω。最接近该结果的电阻为2.2kΩ。

如果我们将上述方程式与V一起使用_在AS 5V，r₁AS1kΩ和r₂As2.2kΩ，然后我们得到V_出去AS 3.4V，这是3.3V逻辑设备的可接受值。

但是，电压分隔器不是逻辑级转换的理想解决方案。仅将此方法用于慢速信号和开关输入。这不是在像我这样的高速信号中使用的可靠方法²C或SPI。

双向逻辑级转换器

多年来，我们看到了许多3.3V设备，例如Raspberry Pi，ESP8266，ESP32，Nokia 5110 LCD，HC-05蓝牙模块，BMP180气压传感器等。

如果您想连接3.3V i²C或SPI传感器到像Arduino这样的5V设备，并支持双向通信，然后解决方案是使用外部级别换档器或逻辑级转换器。

此处呈现的逻辑级转换器通过使用每辆总线线一个MOSFET来支持双向级别的转换，并且还可以保护低压侧免受高压侧的尖峰的保护。

考虑以下电路，该电路由带有内部排水二极管的N通道MOSFET组成（重要的是要有一个二极管）。让我们将电路分为左侧或低压侧以及右侧或高压侧的两个部分。

双方都有不同的电源电压和不同的逻辑水平。低压侧的公共汽车高到3.3V，此侧的设备电源为3.3V。

右侧总线高到5V，设备电源电压为5V。MOSFET的门必须连接到低压电源，即在这种情况下为3.3V。MOSFET的源和排水分别连接到低压总线和高压总线。

这个简单的电路起到双向逻辑水平变速杆的作用。

双向逻辑级转换器如何工作？

现在让我们看看上述设置如何作为双向逻辑级转换器的工作方式。要清楚地了解工作，让我将操作分为三个州。

待机状态

在第一个状态下，既不是设备，即低压侧的设备或高压侧设备的设备将总线拉低。在这种情况下，低压总线被拉到高电压

由于MOSFET的栅极和来源都连接到3.3V，V，V_GS为0V，低于MOSFET的阈值电压。结果，MOSFET没有进行，这允许将高压总线拉到5V。

因此，在这种状态下，公共汽车的两侧处于逻辑高，但电压水平不同。

3.3V设备拉下公共汽车

第二个状态是3.3V设备将总线向下拉到逻辑低水平时。MOSFET的门仍为3.3V，但源变低。结果，V_GS变为3.3V，大于MOSFET的阈值电压，这使MOSFET可以进行。

由于MOSFET现在正在进行，因此3.3V设备将高压总线拉到逻辑低。因此，公共汽车的两侧处于相同电压水平的逻辑低。

5V设备拉下公共汽车

在第三个状态下，5V设备将高压侧总线拉到逻辑低水平。通过排水 - 底物二极管，将低压侧拉下直到V_GS达到阈值电压。

现在，MOSFET开始进行操作，这将通过5V设备进一步将低压侧总线拉到逻辑低压水平。即使在这种情况下，总线的两侧都处于相同电压下的逻辑低水平。

因此，如果您结合了这三个状态，我们可以得出结论，逻辑水平在两个方向上都发生了变化。

菲利普斯（Phillips）在此主题上发表了一份精美的应用注释，称为“I²C-BUS和其他系统的双向级别变速杆”。搜索“ AN97055”以获取更多信息。

逻辑级转换器模块

许多模块制造商都将4个这样的基于MOSFET的水平转换电路组合起来，以开发4个总线或4通道逻辑电平转换器模块。

下图显示了一个模块的示意图。

如果您查看典型的4通道级变速器模块的图像，则由两行组成12个引脚。上排由高压供应和地面销（HV和GND）和4个高压通道组成（HV1，HV2，HV3和HV4）。

底行由低压供应和地面（LV和GND）和4个低压通道（LV1，LV2，LV3和LV4）组成。我将两个这样的模块组合在一起，制作了一个8通道逻辑级转换器。

结论

在本教程中，您了解了逻辑级别，需要逻辑级别转换，简单的基于电压分隔器的电压级别转换以及具有原理图和模块的非常有用的双向逻辑级转换器。