Экзамен микроэлектроника / Лекции / 17. преобразователи уроdней

Преобразователи уровней сигнала

Преобразователями уровней называют специальные элементы цифровых устройств, предназначенные для обеспечения совместимости логических уровней различных семейств цифровых элементов.

Помимо этого к ПУ предъявляются также требования по сохранению порогового уровня управляющего элемента, уровней токов, способа кодирования двоичных переменных или наоборот его изменение, обеспечение нагрузочной способности и параметров быстродействия и др.

Сформулируем некоторые основные принципы построения схем ПУ:

• ПУ проектируются с учетом выходных характеристик и параметров управляющего элемента и входных характеристик управляемого элемента;

• Перепад логических уровней должен быть достаточным для надежного функционирования ПУ;

• ПУ должен обеспечивать необходимые динамические параметры с учетом емкостных и активных нагрузок.

В настоящее время разработаны следующие ПУ в составе схем малой и средней интеграции:

ЭСЛ->ТТЛ: К500ПУ125;

ТТЛ->ЭСЛ: К500ПУ124;

КМОП->ТТЛ: 176ПУ1; 564ПУ4; 564ЛН1;

ТТЛ->КМОП: 133ЛН3 и др.

Преобразователи уровней могут быть следующих типов:

- Делители напряжения;

- Фиксаторы уровней;

- Схемы сдвига уровней (ССУ);

- ключевые транзисторные схемы;

- ПУ на переключателях тока;

- Оптронные переключатели;

- Трансформаторные схемы.

Рассмотрим примеры перечисленных схем.

Делители напряжения – преобразователи высокого уровня в низкий. На рисунке приведен простой делитель напряжения для КМОП элементов.

Для улучшения динамических свойств рекомендуется использовать компенсированный делитель напряжения.

Ниже приведен пример более сложной схемы ПУ, где в качестве активного элемента используется любая ТТЛ схема, имеющая входы расширения по ИЛИ.

Информационные входы ТТЛ заземляются, в результате чего транзистор всегда закрыт. Внешний транзистор присоединяется к расширительным входам и управляется с помощью выходного напряжения делителя с КМОП инвертором. Когда на выходе высокий потенциал, транзисторы и насыщены и на выходе ПУ формируется логический ноль. ТТЛ схем. Когда на выходе низкий потенциал, транзистор закрыт и на выходе формируется уровень логической единицы ТТЛ.

Рассмотрим порядок расчета сопротивлений делителя и для типовой схемы ТТЛ 155 серии.

Задаваясь значениями и степенью насыщения определим:

Ток через резистор :

.

Численное значение принимается равным не более .

Определим ток через резистор :

.

По выходным характеристик5ам КМОП схемы вычислим при полученном токе и найдем по формуле:

.

Также как и с простым делителем – для улучшения динамических свойств рекомендуется либо уменьшать сопротивления либо использовать компенсированный делитель.

Фиксатор потенциалов. Преобразует высокий потенциал в КМОП уровни для схемы, питаемой напряжением 5В. При разомкнутом ключе уровень обеспечивается резистором При разомкнутом ключе на входе вентиля будет действовать потенциал .

Произведем численный расчет.

Зададимся резистором и током диода

Тогда

.

Схема сдвига уровней для низкоомного датчика с уровнями +5В и +4.1В в уровни стандартного ЭСЛ-элемента.

Очевидно, что напряжение пробоя стабилитрона должно быть 5.7В. Задавшись током через стабилитрон 5мА, при условии, что датчик может обеспечить такой ток на выходе, определим величину сопротивления:

В более сложных схемах, в том числе аналоговых в качестве ССУ применяют эмиттерные повторители, диоды и пр.

ключевые транзисторные схемы в качестве ПУ применяются там, где требуется согласовать схемы, запитываемые напряжениями разного знака или при большой величине логического перепада в них.

Рассмотрим пару примеров.

Пусть требуется обеспечить управление устройством, питающимся от напряжения и имеющим входное сопротивление при управлении схемой ТТЛ 155 серии.

Один из вариантов решения данной задачи изображен на рисунке:

ПУ представляет собой схему с комбинацией транзисторов разного типа. Схема работает следующим образом: При уровне «0» на выходе управляющего ТТЛ-элемента транзисторы закрытыми через входное сопротивление течет практически нулевой ток. При уровне «1» оба транзистора открыты и насыщены и на входном сопротивлении будет практически напряжение источника питания. Для тока нагрузки можно записать:

.

Задавшись степенью насыщения и напряжением насыщения вычислим далее:

Значение тока через резистор , шунтирующий переход б-э транзистора и удерживающий этот транзистор в закрытом состоянии при логическом нуле на входе ПУ, выбирается в пределах 5-20% от тока базы насыщенного транзистора .

Отсюда, зная напряжение на БЭ переходе насыщенного транзистора, легко находится соответствующее сопротивление:

.

Очевидно, что . Так как транзистор также насыщен, то можно определить сопротивление из соотношения:

Значение округляется до ближайшего меньшего стандартного номинала.

Определим ток базы насыщенного транзистора :

Сопротивление определяется тем же способом, что и сопротивление . При сравнительно большом тепловом токе транзисторов и большом значении необходимо проверить условие надежного запирания транзистора прим отключенном управляющем элементе (например, при разъемном соединении): при максимальной температуре. Тем не менее, в данной схеме и в аналогичных ей целесообразно брать .

Заменив выходную цепь ТТЛ эквивалентной ЭДС и выходным сопротивлением ТТЛ (которое ранее было рассчитано для разных режимов сложного инвертора при построении выходной характеристики), вычислим :

Напряжение на выходе ТТЛ .

Существуют и другие варианты схем преобразования уровня для решения поставленной задачи, с которыми можно подробно ознакомиться в литературе.

ПУ на базе переключателей тока используют в тех случаях, когда логический перепад составляет доли вольт.

На следующем рисунке приведена схема преобразователя уровней ЭСЛ-> ТТЛ.

Схема также позволяет реализовать логическую функцию ИЛИ или ИЛИ-НЕ. Для этого вывод источника опорного напряжения можно подключить к левой либо правой ветви переключателя тока.

Схема преобразователя ТТЛ-ЭСЛ строится аналогичным образом. Данный преобразователь также выполняет функцию И. При наличии напряжения логической единицы на всех входах транзистор Т1 переходит в активный режим и переключатель тока открывает транзистор Т2, так как транзистор Т3 закрыт, а Т5 работает как эмиттерный повторитель, то выходное напряжение будет соответствовать логическому нулю ЭСЛ, т.е. -0,7В. Если же на одном из входов напряжение логического нуля, то транзистор Т1 по-прежнему работает в активном режиме как эмиттерный повторитель, а транзистор Т2 закрыт, так как на его базе будет напряжение логического нуля ЭСЛ (-1,65В). Транзистор Т3 перейдет в активный режим, и выходное напряжение установится в значение -1,65В, что соответствует логическому нулю.

Оптронные переключатели и трансформаторы используют для гальванической развязки электрических цепей при одновременном преобразовании уровней. На рисунке приведена схема преобразования уровней тока в уровни ТТЛ схем.

9