3.8. Szintillesztés

A kamera egy GPIO lába körülbelül 3,3 V-ot ad ki magas állapotban. A másik oldalon lévő eszköz futhat 5 V-on (régebbi mikrovezérlők, sok érzékelőpanel) vagy 1,8 V-on (újabb érzékelők, egyes chip-chip buszok). A kettő közvetlen összekötése néha biztonságos, néha pedig károsító; a szintillesztés az az áramkör, amely megbízhatóan áthidalja a különbséget.

3.8.1. Miért árthat a közvetlen, eltérő feszültségű meghajtás egy lábnak

Minden chip I/O-felületén van egy pár beépített védődióda: az egyik a lábtól a földig, a másik a lábtól a chip tápsínjéig. Ezek az elektrosztatikus kisülés (ESD) elnyelésére szolgálnak – egy rövid, nagyfeszültségű tüske a statikus elektromosságból, amely a panel kézbevételekor érheti a lábat. Aki átsétált egy szőnyegen, több kilovolt statikus töltést hordozhat; egy rossz láb megérintése nanoszekundumok alatt átviszi ezt a töltést a chipre. A felső védődióda nyitóirányba kerül, és biztonságosan a tápsínbe vezeti a tüskét, mielőtt az elérné a chipen belüli tranzisztorokat.

Amikor egy 5 V-os jelet folyamatosan egy nem 5 V-tűrő, 3,3 V-os lábra adunk, a felső védődióda örökké vezet. A diódák rövid ESD-tüskékre vannak méretezve, nem állandósult áramra; a tápsín 3,3 V fölé kezd emelkedni, a dióda felmelegszik, és vagy a láb, vagy a chipen lévő feszültségszabályozó tönkremegy.

Az 5 V-tűrő lábak más bemeneti fokozatot használnak – a felső dióda magasabb sínre megy, vagy hiányzik –, így az 5 V alkalmazása ártalmatlan. Hogy egy panel lábai 5 V-tűrők-e, panelenként változik; nézd meg a OpenMV Cam gyors referenciát.

A másik iránynak megvan a maga problémája. Egy magasra meghajtott 3,3 V-os GPIO ~3,3 V-ot állít elő a vezetéken. Egy 5 V-os vevő, amelynek 0.7 × Vcc kell a magas felismeréséhez, a küszöbét 3,5 V-on látja; a 3,3 V alacsonyként vagy bizonytalanként olvasódhat. Még károsodás nélkül is, a jel nem működik megbízhatóan.

A szintillesztő mindkét irányt megoldja.

3.8.2. Az N-MOSFET mint kapcsoló

Az alábbi áramkörök egyetlen N-csatornás MOSFET-et használnak. Három lába van – gate, drain és source –, és elektromosan vezérelt kapcsolóként viselkedik.

A vezérlőbemenet a gate és a source közötti feszültség, jelölése Vgs (gate-source feszültség):

Vgs = (gate voltage) - (source voltage)

A MOSFET ezt a különbséget figyeli, nem az egyik vagy másik láb abszolút feszültségét. Viselkedése a Vgs értékéből következik:

• Amikor a Vgs a MOSFET küszöbfeszültsége fölött van (egy kis jelű, logikai szintű alkatrésznél jellemzően 1 V körül), a tranzisztor bekapcsol, és az áram szabadon folyik a drain-től a source felé.

• Amikor a Vgs 0 vagy az alatti, a tranzisztor kikapcsol, és gyakorlatilag nem folyik áram a drain-től a source felé.

A drain-source út a kapcsolt áramút; a Vgs nyitja vagy zárja ezt a kapcsolót.

Egy N-MOSFET-nek van egy test-diódája is a drain és a source között, amely akkor vezet, ha a drain-t több mint ~0,6 V-tal a source alá húzzák. A dióda a gyártás mellékterméke; az alábbi kétirányú szintillesztő szándékosan használja ki.

3.8.2.1. Bekötési szabályok

Egy N-MOSFET nem szimmetrikus háromkivezetéses eszköz. A test-dióda a source-tól (anód) a drain felé (katód) mutat, és a Vgs az, ami a csatornát vezérli. Ebből két szabály következik, amelyeknek minden N-MOSFET kapcsolóáramkörre érvényesnek kell lenniük:

• A source az alacsonyabb feszültségre megy; a drain a magasabbra. Ha a drain a magasabb sínen van, a test-dióda záróirányú, és nem csinál semmit. Cseréld fel őket, és a test-dióda állandóan nyitóirányú: az áram a most magasabb source-tól a test-diódán keresztül a most alacsonyabb drain felé folyik, függetlenül attól, hogy a gate mit csinál. A MOSFET megszűnik kapcsoló lenni – folyamatosan szivárog, a jelet nem lehet kikapcsolni, és az eszköz gyakran túlmelegszik és tönkremegy.

• A gate a source feszültségsínjéhez kötődik. Ha a gate-et azon a sínen tartjuk, amelyen a source nyugalmi állapotban ül, akkor üresjáratban Vgs = 0, jóval a küszöb alatt; a MOSFET határozottan kikapcsolva marad, amíg valami vagy a gate-et a source fölé nem hajtja (az alábbi egyirányú áramkör), vagy a source-t a gate alá nem húzza (a kétirányú áramkör). Hagyd a gate-et máshol lebegni, és a kikapcsolt állapot megszűnik definiáltnak lenni – a zaj, a szivárgás vagy a szórt kapacitás a Vgs-t a küszöb fölé sodorhatja, és véletlenszerűen bekapcsolhatja a MOSFET-et.

Bármelyik szabály megfordítása szivárgó, megbízhatatlan úttá teszi a szintillesztőt. Mindkét alábbi szintillesztő áramkör követi ezeket a szabályokat: source az alacsonyabb oldalon, drain a magasabbon, gate a source sínjéhez kötve vagy onnan meghajtva.

3.8.3. Egyirányú 3,3 V → 5 V

A legegyszerűbb szintillesztő egy egyirányú jelet juttat a kamera GPIO-jától egy 5 V-os bemenetbe. Egyetlen N-MOSFET plusz két ellenállás elvégzi a feladatot.

Egy N-MOSFET szintet illeszt (és invertál) egy 3,3 V-os jelet 5 V-os kimenetté.

Amikor a GPIO magasra hajt (3,3 V a gate-en), a Vgs a küszöb fölött van, és a MOSFET bekapcsol; a drain ~0 V-ra húzódik le. Amikor a GPIO alacsonyra hajt (0 V a gate-en), a MOSFET ki van kapcsolva, és a 10 kΩ-os felhúzás a drain-t 5 V-ra emeli.

A kimenet a bemenet inverze. A szoftver visszafordíthatja a jelet (0-t ír „5 V-os kimenet magas”-hoz), vagy két fokozatot kaszkádba kapcsolva nem invertált jelet kaphat kétszeres alkatrészszám mellett.

3.8.4. Kétirányú egy N-MOSFET-tel

Egy olyan vonalhoz, amelyet bármelyik oldalról meg kell hajtani – egy megosztott busz, ahol bármelyik vég alacsonyra húzhatja a vonalat –, a szabványos áramkör vonalanként egyetlen N-MOSFET, mindkét oldal tápjához egy-egy felhúzással.

Egyetlen N-MOSFET áthidal egy 3,3 V-os és egy 5 V-os vonalat; mindegyik oldalnak saját felhúzása van.

A gate a 3,3 V-os táphoz van kötve, így a MOSFET viselkedése attól függ, melyik oldal hajt:

• Mindkét oldal üresjáratban. A source a bal oldali felhúzáson át 3,3 V-on ül; a gate 3,3 V-on van; Vgs = 0; a MOSFET ki van kapcsolva. Az 5 V-os oldal a jobb oldali felhúzáson át 5 V-ra lebeg. Mindkét oldal magasat olvas.

• A 3,3 V-os oldal alacsonyra húz. A source 0 V-ra esik; a Vgs a küszöb fölé emelkedik; a MOSFET bekapcsol, és source-ról drain-re vezet. Az 5 V-os oldal a tranzisztoron át alacsonyra húzódik.

• Az 5 V-os oldal alacsonyra húz. A drain 0 V-ra esik; a MOSFET test-diódája (drain-ről source-ra) nyitóirányúvá válik és vezet; a source (3,3 V-os oldal) körülbelül 0,6 V-ra húzódik le. A Vgs ekkor meghaladja a küszöböt, és a MOSFET teljesen bekapcsol, mindkét oldalt alacsonyra hozva.

A BSS138 a szabványos N-MOSFET ehhez a mintához; a hasonló gate-küszöbfeszültségű, kis jelű, logikai szintű N-MOSFET-ek itt mind ugyanígy viselkednek.