3.8. Pomak naponske razine

GPIO pin na kameri kada je u visokom stanju daje oko 3,3 V. Uređaj na drugoj strani može raditi na 5 V (stariji mikrokontroleri, mnoge senzorske pločice) ili na 1,8 V (noviji senzori, neke sabirnice između čipova). Izravno spajanje ta dva napona ponekad je sigurno, a ponekad razorno; pomak naponske razine je sklop koji pouzdano premošćuje tu razliku.

3.8.1. Zašto izravno spajanje različitih napona može oštetiti pin

Svaki ulazno-izlazni pad čipa ima par ugrađenih zaštitnih dioda: jednu od pina prema masi, jednu od pina prema naponskoj sabirnici čipa. One služe za apsorpciju elektrostatičkog pražnjenja (ESD) – kratkog, visokonaponskog skoka uzrokovanog statičkim elektricitetom koji može pogoditi pin tijekom rukovanja pločicom. Osoba koja je prešla preko tepiha može nositi nekoliko kilovolta statičkog naboja; dodir krivog pina prenosi taj naboj na čip u nanosekundama. Gornja zaštitna dioda dolazi u propusni smjer i sigurno odvodi impuls u naponsku sabirnicu prije nego što dosegne tranzistore unutar čipa.

Kada se signal od 5 V kontinuirano dovodi na pin od 3,3 V koji nije tolerantan na 5 V, gornja zaštitna dioda vodi neprekidno. Diode su dimenzionirane za kratke ESD impulse, a ne za stalnu struju; naponska sabirnica počinje rasti iznad 3,3 V, dioda se zagrijava te se kvari ili pin ili regulator napona na čipu.

Pinovi tolerantni na 5 V koriste drugačiji ulazni stupanj – gornja dioda ide na višu sabirnicu ili je nema – pa je dovođenje 5 V bezopasno. Jesu li pinovi neke pločice tolerantni na 5 V razlikuje se od pločice do pločice; provjerite brzi referentni vodič za OpenMV Cam.

Suprotni smjer ima svoj vlastiti problem. GPIO od 3,3 V koji vozi visoko stanje proizvodi ~3,3 V na vodiču. Prijemnik od 5 V koji treba 0.7 × Vcc da bi prepoznao visoko stanje vidi svoj prag na 3,5 V; 3,3 V se može očitati kao nisko ili kao dvosmisleno. Čak i bez oštećenja, signal ne radi pouzdano.

Pomak naponske razine rješava oba smjera.

3.8.2. N-MOSFET kao sklopka

Sklopovi u nastavku koriste jedan N-kanalni MOSFET. Ima tri pina – gate, drain i source – i ponaša se kao električki upravljana sklopka.

Upravljački ulaz je napon između gatea i sourcea, označen kao Vgs (napon gate-source):

Vgs = (gate voltage) - (source voltage)

MOSFET je osjetljiv na tu razliku, a ne na apsolutni napon na bilo kojem pinu zasebno. Njegovo ponašanje proizlazi iz Vgs:

  • Kada je Vgs iznad MOSFET-ovog pragovnog napona (obično oko 1 V za malosignalnu komponentu logičke razine), tranzistor se uključuje i struja slobodno teče od draina prema sourceu.

  • Kada je Vgs na 0 ili ispod nje, tranzistor se isključuje i gotovo nikakva struja ne teče od draina prema sourceu.

Put drain-source je sklopljeni strujni put; Vgs otvara ili zatvara tu sklopku.

N-MOSFET također ima tijelnu diodu (body diode) između draina i sourcea koja vodi kada je drain povučen ispod sourcea za više od ~0,6 V. Dioda je nuspojava proizvodnje; dvosmjerni pomačnik razine u nastavku je namjerno koristi.

3.8.2.1. Pravila spajanja

N-MOSFET nije simetričan troterminalni element. Tijelna dioda usmjerena je od sourcea (anode) prema drainu (katodi), a Vgs je ono što upravlja kanalom. Iz toga slijede dva pravila koja moraju vrijediti za svaki sklop s N-MOSFET sklopkom:

  • Source ide na niži napon; drain ide na viši. S drainom na višoj sabirnici tijelna dioda je u zapornom smjeru i ništa ne radi. Zamijenite ih i tijelna dioda je cijelo vrijeme u propusnom smjeru: struja teče od sada višeg sourcea kroz tijelnu diodu do sada nižeg draina bez obzira na to što gate radi. MOSFET prestaje biti sklopka – neprekidno propušta, signal se ne može isključiti, a element se često pregrijava i kvari.

  • Gate se veže na naponsku sabirnicu sourcea. Držanje gatea na sabirnici na kojoj source miruje čini Vgs = 0 u mirovanju, znatno ispod praga; MOSFET ostaje čvrsto isključen sve dok nešto ne dovede gate iznad sourcea (jednosmjerni sklop u nastavku) ili ne povuče source ispod gatea (dvosmjerni sklop). Pustite li gate da plovi negdje drugdje, isključeno stanje prestaje biti definirano – šum, propuštanje ili parazitni kapacitet mogu pomaknuti Vgs iznad praga i nasumično uključiti MOSFET.

Obrtanje bilo kojeg od ta dva pravila pretvara pomačnik razine u propusan, nepouzdan put. Oba sklopa za pomak razine u nastavku slijede ta pravila: source na nižoj strani, drain na višoj, gate vezan ili upravljan iz sabirnice sourcea.

3.8.3. Jednosmjerno 3,3 V → 5 V

Najjednostavniji pomačnik razine gura jednosmjerni signal iz GPIO-a kamere u ulaz od 5 V. To obavlja jedan N-MOSFET i dva otpornika.

N-kanalni MOSFET spojen kao invertor. GPIO od 3,3 V vozi gate; source ide na masu; drain je podignut na 5 V preko 10 kΩ; drain je također odvojen kao izlaz od 5 V.

N-MOSFET pomiče razinu (i invertira) signal od 3,3 V na izlaz od 5 V.

Kada GPIO vozi visoko stanje (3,3 V na gateu), Vgs je iznad praga i MOSFET se uključuje; drain se povlači na ~0 V. Kada GPIO vozi nisko stanje (0 V na gateu), MOSFET je isključen i pull-up od 10 kΩ podiže drain na 5 V.

Izlaz je inverzija ulaza. Softver može vratiti signal natrag (upisati 0 za „izlaz od 5 V visok”), ili se mogu kaskadno spojiti dva stupnja kako bi se dobio neinvertirani signal uz dvostruki broj komponenti.

3.8.4. Dvosmjerno s jednim N-MOSFET-om

Za liniju kojom se mora upravljati s bilo koje strane – dijeljena sabirnica gdje bilo koji kraj može povući liniju nisko – standardni sklop je jedan N-MOSFET po liniji, s po jednim pull-upom prema napajanju svake strane.

Dvosmjerni N-MOSFET pomačnik razine. MOSFET premošćuje signalnu liniju od 3,3 V s lijeve strane i signalnu liniju od 5 V s desne strane; gate se spaja na napajanje od 3,3 V, source se spaja na signal od 3,3 V, drain na signal od 5 V; svaka signalna linija ima vlastiti pull-up otpornik prema svom napajanju.

Jedan N-MOSFET premošćuje liniju od 3,3 V i liniju od 5 V; svaka strana ima vlastiti pull-up.

Gate je vezan na napajanje od 3,3 V, pa ponašanje MOSFET-a ovisi o tome koja strana vozi:

  • Obje strane u mirovanju. Source je na 3,3 V preko lijevog pull-upa; gate je na 3,3 V; Vgs = 0; MOSFET je isključen. Strana od 5 V plovi na 5 V preko desnog pull-upa. Obje strane očitavaju visoko stanje.

  • Strana od 3,3 V povlači nisko. Source pada na 0 V; Vgs raste iznad praga; MOSFET se uključuje i vodi od sourcea prema drainu. Strana od 5 V povlači se nisko kroz tranzistor.

  • Strana od 5 V povlači nisko. Drain pada na 0 V; MOSFET-ova tijelna dioda (drain prema sourceu) postaje u propusnom smjeru i vodi; source (strana od 3,3 V) povlači se na otprilike 0,6 V. Vgs tada premašuje prag i MOSFET se potpuno uključuje, povlačeći obje strane nisko.

BSS138 je standardni N-MOSFET za ovaj obrazac; malosignalni N-MOSFET-ovi logičke razine sa sličnim pragovnim naponima gatea svi se ovdje ponašaju jednako.