Traslatori di Livello digitali

Una rassegna d'interfacce digitali nella Babele delle tensioni di alimentazione dei moderni circuiti logici.

C'erano una volta i Circuiti Logici TTL, realizzati completamente con transistor bipolari. All’epoca, parliamo degli anni ’60, dire “circuito logico” implicava avere a che fare con componenti a bassa e media integrazione, con consumi relativamente alti (visti con occhi moderni) e tensioni di alimentazioni nominali invariabilmente pari a 5.1V. Esisteva un’altra tecnologia con velocità e consumi maggiori, ancora basata su bipolari, chiamata ECL (Emitter Coupled Logic). In questo caso la tensione di alimentazione era negativa e pari a -5.2V. La ricerca di minori consumi condusse alla diffusione della tecnologia MOS e poi CMOS. Inizialmente venne introdotta la famiglia logica 4000 con funzioni equivalenti alle TTL disponibili, ma con consumi molto inferiori e tensioni di alimentazione che andavano da circa 4V a 18V (20V offerti da alcuni costruttori). La velocità era inizialmente assai inferiore rispetto alle famiglie TTL ma i vantaggi in termini di consumi ed immunità alle interferenze ne consentivano l’uso in molte applicazioni. La spinta, che continua ancora oggi, verso maggiore velocità, maggiore integrazione e consumi sempre più bassi, generarono un proliferare di famiglie di circuiti logici CMOS funzionalmente compatibili, spesso pinto-pin, ma con tensioni di alimentazione sempre più basse. Oggi sembra di poter dire che il limite reale nell’integrazione di funzioni su silicio non sia tanto imposto direttamente dalle tecnologie di fabbricazione di strutture sempre più piccole, quanto dalla dissipazione del calore generato e dal costo dei processi di diffusione. Oggi sono disponibili molte diverse famiglie logiche. La brochure Philips Logic Family Guide, ad esempio, elenca 14 famiglie diverse con 4 tensioni di alimentazioni nominali, tra 1,8V e 5V. La presenza di famiglie diverse e la necessità di mantenere l’interoperabilità con le apparecchiature preesistenti, ha promosso la nascita di componenti di interfaccia tra i mondi ad alimentazione diversa. Già la famiglia CMOS 4000 comprendeva alcuni componenti usabili come interfacce con gli allora onnipresenti TTL. Tipici casi di circuiterie logiche funzionanti ad alimentazioni diverse sono oggi connessioni tra i microprocessori o FPGA delle ultime generazioni e chipset o periferiche parallele a bassa velocità oppure seriali quali I2C, SMBus. Si possono trovare anche necessità di interfacce di segnali di controllo, come POWER-OK, verso la logica, con esigenze limitate in velocità oppure anche bus paralleli funzionanti a qualche centinaio di megahertz. Altra importante funzione da realizzare è la protezione da ESD dei circuiti integrati a bassa tensione. Essendo realizzati in tecnologie sub-micrometriche, questi rischiano di essere più facilmente danneggiati da scariche elettrostatiche ed integrare le opportune protezioni nei traslatori di livello si rivela quindi conveniente.

CIRCUITI INTEGRATI GTL-TVC

La famiglia di traslatori bidirezionali GTL- TVC di NXP (ex Philips Semiconductors), tra le altre, copre con vari componenti molte delle necessità di interfaccia cui si è accennato. L’Application Note "AN10145 Bidirectional low voltage translators GTL" presenta nel dettaglio schemi e precauzioni da adottare nell’uso dei componenti della famiglia. I componenti Gunning Transceiver Logic Translator Volta Clamp (da cui GTL-LVC), sono sostanzialmente arrays di transistori NMOS con il gate in comune. Essi realizzano le funzioni di traslazione di livello tra tensioni di ingresso comprese nella gamma 1V e 5.5V verso tensioni di uscita pure comprese tra 1V e 5.5V e sono inoltre in grado di limitare (clamp) la tensione trasmessa in uscita e limitare l’energia trasmessa a valle in caso di ESD. La connessione è sostanzialmente quella tipica di pass transistors. Quando i dispositivi lavorano come traslatori di livello, i gate sono tenuti ad una tensione di alimentazione almeno 1,5V maggiore della tensione di polarizzazione del pin Reference Source (vedi figura 1).

Figura 1: Interfaccia bidirezionale a due linee (da Philips AN10145).

Figura 1: Interfaccia bidirezionale a due linee (da Philips AN10145).

I dispositivi potranno quindi lavorare come traslatori tra logiche ad 1,8V e logiche a 3,3V, ma non come traslatori tra 1,8V e 2,5V. Questo requisito della tensione di gate è necessario per garantire che non vi sia degrado nel livello alto trasmesso al lato a tensione minore, con un margine di sicurezza. La conversione di livello può essere bidirezionale, in questo caso lavoriamo da ambo i lati con open collector. I pull-up necessari in tale configurazione, per limitare le correnti massime circolanti nei pass transistor, andranno calcolate in funzione della tensione di lavoro, con le formule fornite nell’Application Note. Notiamo nell’Application Note che le connessioni sono molto semplici, massa, tensione di pilotaggio delle gate, connessioni di un trasnsistor di riferimento e le coppie Dn/Sn, input ed output del traslatore di livelli (vedi figura 2). Il routing del pcb è semplificato dal fatto che qualsiasi transistor è usabile come riferimento, inoltre Drain e Source di ogni coppia sono affacciati sui lati opposti del package. Non c’è alcun segnale di controllo che stabilisca la direzione del flusso dati. Trattandosi inoltre di un circuito passivo, praticamente un array di transistori NMOS, non è richiesta una alimentazione sul package, essendo questa gestita a livello board. Non avendo un driver attivo che separa ingresso da uscita, diventa impossibile isolare la capacità di carico dall’ingresso. Questo fa si che i tempi di propagazione non siano completamente definibili a priori ma vadano calcolati in funzione del carico specifico di ogni linea in applicazione. Il calcolo dei tempi di propagazione è spiegato nell’application note a pag. 8. Esistono componenti funzionalmente equivalenti, anche se realizzati in tecnologia CMOS, nella famiglia TVC di Texas Instruments.

Figura 2: Struttura interna del dispositivo (da Philips AN10145).

Figura 2: Struttura interna del dispositivo
(da Philips AN10145).

 

Figura 3: Tipico schema di applicazione di optoisolatori (da NVE Application Bulletin 20).

Figura 3: Tipico schema di applicazione
di optoisolatori (da NVE Application
Bulletin 20).

 

Figura 4: Tipico schema di applicazione di componenti IsoLoop (da NVE Application Bulletin 20).

Figura 4: Tipico schema di applicazione di
componenti IsoLoop (da NVE Application
Bulletin 20).

CIRCUITI INTEGRATI 5V TOLERANT LOGIC

Un modo semplice per ottenere l’interfacciamento tra logiche ad alta tensione (fino a 5V) e logiche a bassa tensione, consiste nell’uso di famiglie quali LVX ed LVT, che tollerano sugli ingressi tensioni superiori all’alimentazione, in particolare sono garantiti essere 5V tolerant. Traslatori 5V -> 1,8V sono cosi semplicemente realizzabili ad esempio usando le funzioni inverter delle famiglie citate.

OPTOISOLATORI

Applicazioni a bassa velocità possono anche servirsi di traslatori di livelli realizzati con optoisolatori, vedi figura 3. Le frequenze massime raggiungibili con componenti a transistor o darlington sono limitate a poche decine di kilohertz ma possono salire fino a qualche megahertz usando optoisolatori integranti funzioni logiche ed appositamente progettati per applicazioni digitali.

COMPONENTI ISOLOOP

NVE Corporation ha sviluppato una sua famiglia di isolatori digitali chiamati IsoLoop, valida alternativa agli optoisolatori. I componenti IsoLoop (vedi figura 4) sono basati sull’effetto GMR (Giant Magneto Resistive), i cui scopritori hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2007. GMR risulta in un’ampia variazione di resistenza elettrica in film sottili di materiali artificiali, sottoposti a campi magnetici. I grandi vantaggi verso altre tecnologie di isolamento consistono nell’ampio segnale ricavabile e nella compatibilità con la tecnologia dei circuiti integrati. Le caratteristiche principali che li rendono vantaggiosamente competitivi con gli optoisolatori sono:

  • Dimensioni molto
  • Elevata velocità, fino a 150 Mbit/sec
  • Bassa distorsione dell’impulso tra-
  • Elevata reiezione di modo
  • Ampia gamma di tensioni di alimentazione.
  • Ampia gamma di temperatura operativa, -55 °C … 125 °C.
  • Ottime caratteristiche EMC, in particolare ottima immunità.
  • Elevata tensione di isolamento ingresso/uscita (2500 V) ma anche canale/canale (800 ).
  • Elevata tensione sopportabile per periodi indeterminati, senza degradazione di affidabilità.
  • Costo competitivo con le soluzioni

Varie famiglie di componenti sono disponibili, offrendo fino a cinque canali completamente isolati gli uni dagli altri e componenti in grado di realizzare interfacce isolate per quasi tutti i protocolli seriali e bus di uso comune in automazione. Il sito web NVE contiene un interessante “Isolator Application Center” che indirizza verso la famiglia più adatta in funzione del campo applicativo ed offre supporto sottoforma di una ventina di Application Notes. I campi applicativi previsti comprendono isolamento di ingressi/uscite digitali, interfacce isolate I2C, I2S, SPI, RS232, bus isolati RS422, RS485, USB, PROFIBUS e CAN. Le note applicative descrivono in dettaglio il principio di funzionamento, gli standard secondo cui i componenti sono qualificati, le prove cui sono sottoposti. Le applicazioni proposte per isolatori logici in senso stretto comprendono la traslazione di livello tra famiglie logiche diverse, l’efficace isolamento delle sezioni digitali di convertitori ADC, stadi di ingresso per PLC, riduzione di rumore in sistemi audio digitali, efficiente pilotaggio di MOSFET in applicazioni di potenza grazie ai ridotti tempi di commutazione. Potendo lavorare con segnali in ingresso a partire da 1,6V, questi interessanti componenti possono trovare applicazione anche come traslatori di livello. Un possibile problema è l’assenza al momento di una seconda sorgente.

Una risposta

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 17 luglio 2019

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