द्वि

ENIAC युग में, कंप्यूटर प्रकृति में अधिक एनालॉग थे और बहुत कम डिजिटल आईसी का उपयोग करते थे। आज एक औसत जो का कंप्यूटर कई वोल्टेज स्तरों के साथ काम करता है, जिन लोगों ने सीपीयू के एसएमपीएस को देखा होगा, उन्होंने देखा होगा कि आपके कंप्यूटर को संचालित करने के लिए requires 12V, + 5V और + 3.3V की आवश्यकता होती है। कंप्यूटर के लिए ये वोल्टेज स्तर बहुत महत्वपूर्ण हैं; एक विशिष्ट वोल्टेज संकेत की स्थिति (उच्च या निम्न) निर्धारित करता है। इस उच्च अवस्था को कंप्यूटर द्वारा बाइनरी 1 और निम्न स्थिति को बाइनरी 0. के रूप में स्वीकार किया जाता है। 0 और 1 स्थिति के आधार पर कंप्यूटर आवश्यक आउटपुट प्रदान करने के लिए डेटा, कोड और निर्देश तैयार करता है।

आधुनिक लॉजिक वोल्टेज का स्तर मोटे तौर पर 1.8V से 5V तक भिन्न होता है। मानक तर्क वोल्टेज 5V, 3.3V, 1.8V, आदि हैं, लेकिन, 5V तर्क स्तर (उदाहरण Arduino) के साथ काम करने वाला सिस्टम या नियंत्रक किसी अन्य सिस्टम के साथ संचार कैसे करता है जो 3.3V (उदाहरण ESP8266) या किसी अन्य अलग वोल्टेज के साथ काम करता है स्तर? यह परिदृश्य अक्सर कई डिज़ाइनों में होता है, जहाँ कई माइक्रो-नियंत्रक या सेंसर का उपयोग किया जाता है और यहाँ समाधान एक तर्क स्तर कनवर्टर या तर्क स्तर शिफ्टर का उपयोग करना है । इस लेख में हम तर्क स्तर के कन्वर्टर्स के बारे में अधिक जानेंगे और हम MOSFET का उपयोग करते हुए एक सरल द्वि-दिशात्मक तर्क स्तर कनवर्टर सर्किट भी बनाएंगे जो आपके सर्किट डिजाइनों के काम आएगा।

उच्च-स्तरीय और निम्न-स्तरीय इनपुट वोल्टेज

हालाँकि, माइक्रोप्रोसेसर या माइक्रोकंट्रोलर पक्ष से, तर्क वोल्टेज स्तर मान निश्चित नहीं है; इसके साथ कुछ सहिष्णुता है। उदाहरण के लिए, 5V तर्क स्तर के माइक्रोकंट्रोलर के लिए स्वीकृत लॉजिक हाई (लॉजिक 1) न्यूनतम 2.0V (न्यूनतम हाई लेवल इनपुट वोल्टेज) है जो अधिकतम 5.1V (अधिकतम हाई लेवल इनपुट वोल्टेज) है। इसी प्रकार, तर्क कम (तर्क 0) के लिए स्वीकृत वोल्टेज मान 0V (न्यूनतम निम्न स्तर इनपुट वोल्टेज) से अधिकतम 8V (अधिकतम निम्न स्तर इनपुट वोल्टेज) है।

उपरोक्त उदाहरण 5V तर्क स्तर के माइक्रोकंट्रोलर के लिए सही है लेकिन 3.3V और 1.8V के तर्क स्तर के माइक्रोकंट्रोलर भी उपलब्ध हैं। इस तरह के माइक्रोकंट्रोलर में, तर्क स्तर वोल्टेज रेंज अलग-अलग होगी। आप उस विशेष नियंत्रक आईसी की डेटशीट से संबंधित जानकारी प्राप्त कर सकते हैं। वोल्टेज स्तर कनवर्टर का उपयोग करते समय, ध्यान रखा जाना चाहिए कि उच्च वोल्टेज मूल्य और कम वोल्टेज मूल्य इन मापदंडों की सीमा के भीतर है।

द्वि-दिशात्मक तर्क स्तर कनवर्टर

आवेदन और तकनीकी निर्माण के आधार पर, दो प्रकार के स्तर के शिफ्टर्स उपलब्ध हैं, यूनिडायरेक्शनल लॉजिक लेवल कन्वर्टर और द्वि-दिशात्मक लॉजिक लेवल कन्वर्टर । यूनिडायरेक्शनल स्तर के कन्वर्टर्स में, इनपुट पिन एक वोल्टेज डोमेन के लिए और आउटपुट पिन अन्य वोल्टेज डोमेन के लिए समर्पित होते हैं, लेकिन द्वि-दिशात्मक स्तर कन्वर्टर्स के लिए यह मामला नहीं है यह दोनों दिशाओं में तर्क संकेतों को परिवर्तित कर सकता है । द्वि-दिशात्मक स्तर के कन्वर्टर्स के लिए, प्रत्येक वोल्टेज डोमेन में न केवल इनपुट पिन होते हैं, बल्कि आउटपुट पिन भी होते हैं। उदाहरण के लिए यदि आप इनपुट पक्ष को 5.5V प्रदान करते हैं तो इसे आउटपुट पक्ष में 3.3V में बदल देगा, इसी तरह यदि आप आउटपुट पक्ष को 3.3V प्रदान करते हैं, तो यह इसे इनपुट पक्ष पर 5V में बदल देगा।

इस ट्यूटोरियल में, हम एक सरल द्वि-दिशात्मक स्तर कनवर्टर का निर्माण करेंगे और इसे उच्च से निम्न रूपांतरण और निम्न से उच्च रूपांतरण के लिए परीक्षण करेंगे ।

सरल द्वि-दिशात्मक तर्क स्तर कनवर्टर

एक सरल द्वि-दिशात्मक तर्क कनवर्टर सर्किट नीचे की छवि में दिखाया गया है।

सर्किट कम वोल्टेज तर्क स्तर को उच्च वोल्टेज तर्क स्तर में बदलने के लिए एन-चैनल एमओएसएफईटी का उपयोग करता है। प्रतिरोधक वोल्टेज डिवाइडर का उपयोग करके एक साधारण लॉजिक स्तर कनवर्टर भी बनाया जा सकता है, लेकिन यह वोल्टेज हानि का परिचय देगा। MOSFET या ट्रांजिस्टर-आधारित लॉजिक स्तर के कन्वर्टर्स पेशेवर, विश्वसनीय और एकीकृत करने के लिए सुरक्षित हैं।

सर्किट दो अतिरिक्त घटकों, आर 1 और आर 2 का भी उपयोग करता है। वे पुल-अप रेसिस्टर्स हैं। सबसे कम भाग की गिनती के कारण, यह एक लागत प्रभावी समाधान भी है। उपरोक्त सर्किट के आधार पर, एक सरल 3.3V से 5V द्वि-दिशात्मक तर्क कनवर्टर का निर्माण किया जाएगा।

MOSFET का उपयोग कर 5V से 3.3V स्तर कनवर्टर

3.3 द्वि-दिशात्मक तर्क स्तर कनवर्टर करने के लिए 5 वी सर्किट छवि के नीचे में देखा जा सकता -

जैसा कि आप देख सकते हैं कि हमें प्रतिरोधों आर 1 और आर 2 को 5 वी और 3.3 वी का एक निरंतर वोल्टेज प्रदान करना होगा। पिन Low_side_Logic_Input और High_Side_Logic_Input का आदान-प्रदान इनपुट और आउटपुट पिन के रूप में किया जा सकता है।

उपरोक्त सर्किट में उपयोग किए जाने वाले घटक हैं

आर 1 - 4.7 के

आर 2 - 4.7 के

Q1 - BS170 (N चैनल MOSFET)।

दोनों प्रतिरोधक 1% सहिष्णु हैं। 5% सहिष्णुता के साथ प्रतिरोधक भी काम करेंगे। बीएस 170 एमओएसएफईटी के पिनआउट को नीचे दी गई छवि में देखा जा सकता है जो क्रम नाली, गेट और स्रोत में है ।

सर्किट निर्माण में दो पुल प्रतिरोधों 4.7k प्रत्येक के होते हैं। MOSFET की नाली और स्रोत पिन वांछित वोल्टेज स्तर तक (इस मामले में 5V और 3.3V) निम्न से उच्च या उच्च से निम्न तर्क रूपांतरण के लिए खींची जाती है। आप R1 और R2 के लिए 1k से 10k के बीच किसी भी मान का उपयोग कर सकते हैं क्योंकि वे केवल प्रतिरोधों को खींचने के रूप में कार्य करते हैं।

सही काम करने की स्थिति के लिए, सर्किट का निर्माण करते समय दो शर्तों को पूरा करने की आवश्यकता होती है। पहली शर्त यह है कि निम्न स्तर के लॉजिक वोल्टेज (इस मामले में 3.3V) को MOSFET के स्रोत से जोड़ा जाना चाहिए और उच्च स्तरीय लॉजिक वोल्टेज (इस मामले में 5V) MOSFET के ड्रेन पिन से जुड़ा होना चाहिए। दूसरी स्थिति है, MOSFET के गेट को कम वोल्टेज की आपूर्ति (इस मामले में 3.3V) से जुड़ा होना चाहिए।

द्वि-दिशात्मक तर्क स्तर कनवर्टर का अनुकरण

सिमुलेशन परिणाम का उपयोग करके तर्क स्तर शिफ्टर सर्किट के पूर्ण कार्य को समझा जा सकता है। जैसा कि आप नीचे दी गई GIF छवि में देख सकते हैं, उच्च स्तर से निम्न स्तर के तर्क रूपांतरण में तर्क इनपुट पिन 5V और 0V (ग्राउंड) के बीच स्थानांतरित कर दिया गया है और तर्क आउटपुट 3.3V और 0V के रूप में प्राप्त किया गया है।

इसी तरह निम्न स्तर से उच्च स्तर के रूपांतरण के दौरान तर्क इनपुट 3.3V के बीच होता है और 0V को 5V और 0V के तर्क आउटपुट में परिवर्तित किया जाता है जैसा कि नीचे दी गई GIF छवि में दिखाया गया है।

तर्क स्तर कनवर्टर सर्किट कार्य करना

उन दो शर्तों को पूरा करने के बाद, सर्किट तीन राज्यों में काम करता है। नीचे राज्यों का वर्णन किया गया है।

जब निम्न पक्ष तर्क 1 या उच्च अवस्था (3.3V) में होता है।
जब निम्न पक्ष तर्क 0 या निम्न स्थिति (0V) में होता है।
जब उच्च पक्ष 1 से 0 या उच्च से निम्न (5V से 0V) की स्थिति बदलता है

जब कम पक्ष अधिक होता है, तो इसका मतलब है कि MOSFET का स्रोत वोल्टेज 3.3V है, MOSFET के Vgs थ्रेशोल्ड बिंदु के कारण MOSFET आचरण नहीं करता है। इस बिंदु पर MOSFET का गेट 3.3V है और MOSFET का स्रोत भी 3.3V है। इसलिए, Vgs 0V है। MOSFET बंद है। निम्न पक्ष इनपुट का तर्क 1 या उच्च स्थिति पुलओएस प्रतिरोध आर 2 के माध्यम से 5V आउटपुट के रूप में MOSFET के नाली पक्ष पर प्रतिबिंबित करता है।

इस स्थिति में, यदि MOSFET का निम्न पक्ष अपने राज्य को उच्च से निम्न में बदलता है, तो MOSFET आचरण करना शुरू कर देता है। स्रोत तर्क 0 में है, इसलिए उच्च पक्ष भी 0 बन गया।

दो से ऊपर की स्थितियां कम वोल्टेज लॉजिक स्टेट को सफलतापूर्वक हाई वोल्टेज लॉजिक स्टेट में बदल देती हैं।

एक अन्य कार्यशील अवस्था वह है जब MOSFET का उच्च पक्ष अपने राज्य को उच्च से निम्न में बदलता है। यह समय है जब नाली सब्सट्रेट डायोड का संचालन शुरू होता है। MOSFET कम पक्ष एक कम वोल्टेज स्तर तक खींच लिया जाता है जब तक कि Vgs थ्रेशोल्ड बिंदु को पार नहीं करता है। निम्न और उच्च वोल्टेज खंड दोनों की बस लाइन समान वोल्टेज स्तर पर कम हो गई।

कनवर्टर की गति को बदलना

एक अन्य महत्वपूर्ण पैरामीटर पर विचार करने के लिए जब एक तर्क स्तर कनवर्टर डिजाइन करना संक्रमण गति है। चूंकि अधिकांश लॉजिक कन्वर्टर्स का उपयोग USART, I2C आदि संचार बसों के बीच किया जाएगा, इसलिए लॉजिक कन्वर्टर के लिए यह महत्वपूर्ण है कि वह संचार लाइनों की बॉड दर के साथ तेजी से पर्याप्त (संक्रमण गति) स्विच करे।

संक्रमण गति MOSFET की स्विचिंग गति के समान है। इसलिए हमारे मामले में BS170 डेटाशीट के अनुसार, MOSFET का टर्न-ऑन समय और MOSFET का टर्न-ऑफ समय नीचे बताया गया है। इसलिए अपने तर्क स्तर कनवर्टर डिजाइन के लिए सही MOSFET का चयन करना महत्वपूर्ण है ।

तो हमारे MOSFET को चालू करने के लिए 10nS और 10nS को बंद करने की आवश्यकता है, मतलब यह एक सेकंड में 10,00,000 बार चालू और बंद हो सकता है। यह मानते हुए कि हमारी संचार लाइन प्रति सेकंड 115200 बिट्स (बॉड दर) की गति से काम कर रही है, तो इसका मतलब है कि यह एक सेकंड में केवल 1,15,200 से मुड़ता और बंद होता है। तो हम बहुत अच्छी तरह से उच्च बॉड दर संचार के लिए हमारे डिवाइस का उपयोग कर सकते हैं।

अपने तर्क कनवर्टर का परीक्षण

सर्किट का परीक्षण करने के लिए निम्नलिखित घटकों और उपकरणों की आवश्यकता होती है -

दो अलग-अलग वोल्टेज आउटपुट के साथ बिजली की आपूर्ति।
दो मल्टीमीटर।
दो स्पर्श स्विच।
कनेक्शन के लिए कुछ तार।

सर्किट का परीक्षण करने के लिए योजनाबद्ध को संशोधित किया गया है।

उपरोक्त योजनाबद्ध में, दो अतिरिक्त स्पर्श स्विच पेश किए गए हैं। इसके अलावा, तर्क संक्रमण की जांच करने के लिए एक मल्टीमीटर संलग्न है। SW1 दबाकर, MOSFET का निचला पक्ष अपने राज्य को उच्च से निम्न में बदलता है और तर्क स्तर कनवर्टर उच्च वोल्टेज तर्क स्तर कनवर्टर के लिए कम वोल्टेज के रूप में काम कर रहा है।

दूसरी ओर, SW2 दबाकर, MOSFET का उच्च पक्ष अपने राज्य को उच्च से निम्न में बदलता है और तर्क स्तर कनवर्टर उच्च वोल्टेज से निम्न वोल्टेज तर्क स्तर कनवर्टर के रूप में काम कर रहा है।

सर्किट का निर्माण ब्रेडबोर्ड में किया जाता है और परीक्षण किया जाता है।

उपरोक्त तस्वीर MOSFET के दोनों ओर तर्क स्थिति दिखा रही है। दोनों तर्क 1 राज्य में हैं।

पूर्ण कार्य वीडियो नीचे दिए गए वीडियो में देखा जा सकता है।

तर्क स्तर कनवर्टर की सीमाएँ

सर्किट में निश्चित रूप से कुछ सीमाएँ हैं। सीमाएं MOSFET के चयन पर अत्यधिक निर्भर हैं । अधिकतम वोल्टेज और नाली वर्तमान इस सर्किट में इस्तेमाल किया जा सकता MOSFET के विनिर्देश पर निर्भर है। इसके अलावा, न्यूनतम तर्क वोल्टेज 1.8V है। MOSFET की Vgs सीमा के कारण 1.8V से कम लॉजिक वोल्टेज ठीक से काम नहीं करेगा। 1.8V से कम वोल्टेज के लिए, समर्पित तर्क स्तर के कन्वर्टर्स का उपयोग किया जा सकता है।

महत्व और अनुप्रयोग

जैसा कि परिचयात्मक भाग में चर्चा की गई है, डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में असंगत वोल्टेज स्तर इंटरफेसिंग और डेटा ट्रांसमिशन के लिए एक समस्या है। इसलिए, सर्किट्री में वोल्टेज स्तर से संबंधित त्रुटियों को दूर करने के लिए एक स्तर कनवर्टर या स्तर शिफ्टर की आवश्यकता होती है।

इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार में व्यापक श्रेणी के तर्क स्तर सर्किट की उपलब्धता और विभिन्न वोल्टेज स्तर के माइक्रोकंट्रोलर के लिए तर्क स्तर शिफ्टर के कारण अविश्वसनीय उपयोग का मामला है। कई बाह्य उपकरणों और विरासत उपकरण जो I2C, UART, या ऑडियो कोडेक पर आधारित हैं , एक माइक्रोकंट्रोलर के साथ संचार उद्देश्यों के लिए स्तर के कन्वर्टर्स की आवश्यकता है।