Convertire i segnali al giusto livello analogico

Uno degli ostacoli più frequenti che si incontrano durante la progettazione è la necessità di adattare il livello logico di segnali digitali. Quando si tratta di convertire segnali da 5 a 3,3 V o viceversa, esistono numerosi circuiti integrati che possono essere di aiuto. Il problema si pone quando il livello dei segnali è più elevato, per esempio se si devono convertire segnali a 12 V per una logica a 5 V.

In numerose applicazioni, ad esempio se occorre realizzare una scheda di test a microcontrollore, ci si scontra con la necessità di dover convertire i segnali da controllare perché essi superano la tensione massima ammessa dal microcontrollore sui propri I/O, come nel caso in cui il microcontrollore è alimentato a 5 V; anche il massimo livello di tensione sui suoi pin sarà di 5 V. Quando la tensione di test supera i 5 V è indispensabile ridurre tale tensione. Una soluzione rapida per risolvere il problema potrebbe essere quella di utilizzare un semplice divisore di tensione (per esempio con un partitore resistivo). Bisogna, tuttavia, considerare che un divisore di tensione può interferire con il dispositivo in test. Solitamente viene richiesta un’elevata impedenza d’ingresso per qualsiasi condizionamento sul segnale, in modo da perturbarlo.

Anche le uscite di un condizionatore di segnali dovrebbero coincidere con il livello logico del microcontrollore, a meno di qualche fluttuazione sul segnale controllato. In questo modo possiamo utilizzare dei semplici pin di I/O anziché quelli di ADC. I progettisti solitamente utilizzano amplificatori operazionali non invertenti per mantenere a un determinato valore di tensione i segnali. Tuttavia, la maggior parte di amplificatori operazionali ha un range di tensione differenziale in ingresso che coincide con la tensione di alimentazione. Per questo servono uno o più alimentatori con tensioni di uscita maggiori e diverse resistenze supplementari per ridurre l’uscita dell’amplificatore ai livelli del microcontrollore. In più, l’uscita deve seguire le variazioni misurate sul segnale in ingresso, perciò serve una conversione da analogico a digitale nel microcontrollore. Un approccio nettamente migliore al problema è quello di utilizzare un MOSFET per piccoli segnali in configurazione ripetitore di tensione, come in Figura 1.

Figura 1: un MOSFET utilizzato per condizionare un segnale a tensione elevata

Per questo scopo si può utilizzare per esempio il BS107A di On Semiconductor (www.onsemi.com). Si può considerare l’area tra gate e source del MOSFET come una capacità con un valore di circa 60 pF. Per scaricarlo in assenza di un DUT (Device Under Test), collegare una resistenza di circa 1 Mohm tra gate e massa. Anche la tensione d’ingresso, il segnale di test, deve superare la tensione di soglia VTRH del MOSFET di 3 V, rimanendo inferiore alla massima tensione prevista tra gate e source, VGS, di 20 V. In Figura 1 la tensione d’uscita non supera mai la tensione di alimentazione e le variazioni sulla tensione in ingresso non hanno effetto se il MOSFET lavora in regione di saturazione. L’inconveniente principale di questa tipologia d’approccio è la necessità di tanti MOSFET quanti sono i segnali da controllare. Come valida alternativa si potrebbe utilizzare qualsiasi comparatore di tensione a due o quatto ingressi, per esempio il classico LM393 di National Semiconductor (www.national.com), economico e facile da reperire. In Figura 2 viene mostrata una semplice configurazione con alcuni componenti supplementari. La tensione di alimentazione di 5 V diventa la tensione di soglia positiva, l’uscita è 5 V per segnali in ingresso inferiori a questo livello di tensione. Se il segnale d’ingresso eccede i 5 V la tensione in uscita dal comparatore passa a 0 V.

Figura 2: utilizzo di un comparatore per la conversione del segnale (a). La tensione in uscita rimane a 5 V finché la tensione in ingresso è inferiore a 5 V (b)

La resistenza R1 è collegata alla tensione di alimentazione per polarizzare l’uscita open collector dell’LM393. Qualche volta un segnale a livello di tensione 0 V può non essere gradito, infatti una mancanza di tensione di alimentazione, una cattiva saldatura o un filo rotto potrebbero portare allo stesso risultato di 0 V in uscita senza individuare la situazione difettosa. L’ideale è utilizzare un livello logico alto quando il segnale del DUT è presente e un livello basso quando quello è assente. Una rapida soluzione potrebbe essere quella di invertire i pin di ingresso e della tensione di soglia del comparatore (ingresso invertente e non invertente dell’opamp). Ma questo non è possibile perché la tensione in ingresso sul terminale positivo del comparatore supererebbe la tensione d’alimentazione finché le altre tensioni rimangono nell’intervallo di modo comune. Il limite superiore della tensione in ingresso di modo comune per l’LM393 è 1,5 V meno della tensione d’alimentazione, ossia 3,5 V. Risulta necessario utilizzare un divisore di tensione composto da R2 e R3 per la tensione di soglia, come mostrato in Figura 3.

Figura 3: un partitore resistivo composto da R2 e R3 viene aggiunto per impostare una tensione di soglia sul terminale negativo del comparatore

Figura 4: L'LM393 in package DIP

LM393

Il comparatore di tensione LM393 è uno dei più utilizzati in ambito elettronico, soprattutto per l’hobbistica. Al suo interno sono presenti due comparatori indipendenti, come si può vedere in Figura 5.

Figura 5: piedinatura dell’LM393

Questo comparatore ha una caratteristica unica, ossia include la massa nel range di tensioni di modo comune in ingresso. Le applicazioni tipiche per LM393 sono: comparatori di soglia, convertitori analogico digitali, squadratori, generatori di ritardo, VCO, timers, multivibratori e porte logiche ad alta tensione. Tra le sue caratteristiche più importanti:

range di tensione da 2,0 V a 36 V;
alimentazione singola o duale: ±1,0 V a ±18 V;
bassa corrente di drain (0,4 mA), indipendente dalla tensione di alimentazione;
bassa corrente di bias: 25 nA;
bassa corrente di offset in ingresso, ±5 nA;
massima tensione di offset ±3 mV;
il range di tensioni differenziali in ingresso corrisponde alla tensione di alimentazione;
bassa tensione di saturazione in uscita: 250 mV a 4 mA;
tensione in uscita compatibile con le logiche TTL, DTL, ECL, MOS e CMOS.

BS107A

Il BS107A è un MOSFET a canale N per piccoli segnali, la corrente di drain raggiunge al massimo 250 mA, mentre la VDS massima è 200 V. La resistenza tra drain e source si attesta intorno a 6,4 ohm di conduzione. In Figura 6 la piedinatura.