3.8. Seviye kaydırma

Kameranın GPIO pini yüksek konumdayken yaklaşık 3,3 V sürer. Karşı taraftaki bir cihaz 5 V (eski mikrodenetleyiciler, birçok sensör kartı) veya 1,8 V (daha yeni sensörler, bazı çip-çip veriyolları) ile çalışıyor olabilir. İkisini doğrudan bağlamak bazen güvenli, bazen de tahrip edicidir; seviye kaydırma, bu aradaki farkı güvenilir biçimde köprüleyen devredir.

3.8.1. Doğrudan çapraz gerilim sürümü bir pini neden zarar verebilir

Her çipin G/Ç pedinde bir çift yerleşik koruma diyodu bulunur: biri pinden toprağa, diğeri pinden çipin besleme rayına. Bunlar elektrostatik deşarjı (ESD) – kart elle tutulduğunda bir pine çarpabilen, statik elektrikten kaynaklanan kısa ve yüksek gerilimli bir ani yükselmeyi – emmek için oradadır. Halıda yürümüş bir kişi birkaç kilovoltluk statik yük taşıyabilir; yanlış pine dokunmak bu yükü nanosaniyeler içinde çipe aktarır. Üstteki koruma diyodu ileri yönde kutuplanır ve darbeyi çip içindeki transistörlere ulaşmadan önce besleme rayına güvenli biçimde aktarır.

5 V toleranslı olmayan bir 3,3 V pine sürekli olarak 5 V’luk bir sinyal uygulandığında, üstteki koruma diyodu sonsuza dek iletir. Diyotlar kısa ESD darbeleri için boyutlandırılmıştır, kararlı durum akımı için değil; besleme rayı 3,3 V’un üzerine çıkmaya başlar, diyot ısınır ve ya pin ya da çip üstü gerilim regülatörü arızalanır.

5 V toleranslı pinler farklı bir giriş katmanı kullanır – üstteki diyot daha yüksek bir raya gider ya da hiç yoktur – bu nedenle 5 V uygulamak zararsızdır. Bir kartın pinlerinin 5 V toleranslı olup olmadığı karttan karta değişir; OpenMV Cam hızlı başvuru belgesine bakın.

Diğer yönün kendi sorunu vardır. Yüksek konumda süren bir 3,3 V GPIO, telde ~3,3 V üretir. Yüksek algılamak için 0.7 × Vcc gerektiren bir 5 V alıcı, eşiğini 3,5 V’ta görür; 3,3 V düşük veya belirsiz olarak okunabilir. Herhangi bir hasar olmasa bile sinyal güvenilir biçimde çalışmaz.

Bir seviye kaydırıcı her iki yönü de çözer.

3.8.2. Anahtar olarak N-MOSFET

Aşağıdaki devreler tek bir N-kanallı MOSFET kullanır. Üç pini vardır – gate, drain ve source – ve elektriksel olarak kontrol edilen bir anahtar gibi davranır.

Kontrol girişi, gate ile source arasındaki gerilimdir, Vgs (gate-source gerilimi) olarak yazılır:

Vgs = (gate voltage) - (source voltage)

MOSFET, her iki pindeki mutlak gerilimle değil, bu farkla ilgilenir. Davranışı Vgs değerinden çıkar:

• Vgs, MOSFET’in eşik geriliminin üzerinde olduğunda (küçük sinyalli mantık seviyeli bir parça için tipik olarak yaklaşık 1 V), transistör açılır ve akım drain’den source’a serbestçe akar.

• Vgs 0’da veya altında olduğunda, transistör kapanır ve drain’den source’a neredeyse hiç akım akmaz.

Drain-source yolu anahtarlanan akım yoludur; Vgs bu anahtarı açar veya kapatır.

Bir N-MOSFET ayrıca drain ile source arasında, drain source’un ~0,6 V’tan fazla altına çekildiğinde ileten bir gövde diyoduna (body diode) sahiptir. Diyot, üretimin bir yan etkisidir; aşağıdaki çift yönlü kaydırıcı bunu bilinçli olarak kullanır.

3.8.2.1. Kablolama kuralları

Bir N-MOSFET simetrik üç uçlu bir cihaz değildir. Gövde diyodu source’tan (anot) drain’e (katot) doğru bakar ve kanalı kontrol eden şey Vgstir. Bundan iki kural çıkar ve bunlar her N-MOSFET anahtar devresi için geçerli olmalıdır:

• Source daha düşük gerilime, drain daha yükseğe gider. Drain daha yüksek raydayken gövde diyodu ters kutuplanır ve hiçbir şey yapmaz. Bunları değiştirin, gövde diyodu sürekli ileri kutuplanır: gate ne yaparsa yapsın akım, artık daha yüksek olan source’tan gövde diyodu üzerinden artık daha düşük olan drain’e akar. MOSFET bir anahtar olmaktan çıkar – sürekli kaçak yapar, sinyal kapatılamaz ve cihaz çoğu zaman aşırı ısınıp arızalanır.

• Gate, source’un gerilim rayına bağlanır. Gate’i, source’un boştayken bulunduğu raya tutmak, boşta Vgs = 0 yapar, eşiğin epeyce altında; bir şey ya gate’i source’un üzerine sürene (aşağıdaki tek yönlü devre) ya da source’u gate’in altına çekene (çift yönlü devre) kadar MOSFET sıkıca kapalı kalır. Gate’i başka bir yerde serbest bırakırsanız kapalı durum tanımsız hale gelir – gürültü, kaçak veya başıboş kapasitans Vgsyi eşiğin üzerine sürükleyip MOSFET’i rastgele açabilir.

Her iki kuralı da tersine çevirmek seviye kaydırıcıyı kaçak ve güvenilmez bir yola dönüştürür. Aşağıdaki her iki kaydırıcı devresi de bu kurallara uyar: source alçak tarafta, drain yüksekte, gate source’un rayına bağlı veya o raydan sürülmüş.

3.8.3. Tek yönlü 3,3 V → 5 V

En basit seviye kaydırıcı, tek yönlü bir sinyali kameranın GPIO’sundan bir 5 V girişine iter. Tek bir N-MOSFET ile iki direnç işi görür.

Bir N-MOSFET, 3,3 V’luk bir sinyali 5 V çıkışa seviye kaydırır (ve evirir).

GPIO yüksek konumda sürdüğünde (gate’te 3,3 V), Vgs eşiğin üzerindedir ve MOSFET açılır; drain ~0 V’a çekilir. GPIO düşük konumda sürdüğünde (gate’te 0 V), MOSFET kapalıdır ve 10 kΩ pull-up direnci drain’i 5 V’a getirir.

Çıkış, girişin tersidir. Yazılım sinyali geri çevirebilir (“5 V çıkış yüksek” için 0 yazarak) ya da eviril memiş bir sinyal elde etmek için iki katı bileşen sayısıyla iki katı kademeli devre kullanabilirsiniz.

3.8.4. Tek N-MOSFET ile çift yönlü

Her iki taraftan da sürülmesi gereken bir hat için – her iki ucun da hattı düşüğe çekebildiği paylaşımlı bir veriyolu – standart devre, her hat başına tek bir N-MOSFET ve her tarafın beslemesine birer pull-up direncidir.

Tek bir N-MOSFET, 3,3 V ve 5 V hatları arasında köprü kurar; her tarafın kendi pull-up direnci vardır.

Gate 3,3 V beslemeye bağlıdır, bu nedenle MOSFET’in davranışı hangi tarafın sürdüğüne bağlıdır:

• Her iki taraf da boşta. Source soldaki pull-up üzerinden 3,3 V’ta durur; gate 3,3 V’tadır; Vgs = 0; MOSFET kapalıdır. 5 V tarafı sağdaki pull-up üzerinden 5 V’a yükselir. Her iki taraf da yüksek okur.

• 3,3 V tarafı düşüğe çeker. Source 0 V’a düşer; Vgs eşiğin üzerine çıkar; MOSFET açılır ve source’tan drain’e iletir. 5 V tarafı transistör üzerinden düşüğe çekilir.

• 5 V tarafı düşüğe çeker. Drain 0 V’a düşer; MOSFET’in gövde diyodu (drain’den source’a) ileri kutuplanır ve iletir; source (3,3 V tarafı) yaklaşık 0,6 V’a çekilir. Ardından Vgs eşiği aşar ve MOSFET tamamen açılarak her iki tarafı da düşüğe getirir.

BSS138, bu desen için standart N-MOSFET’tir; benzer gate-eşik gerilimlerine sahip küçük sinyalli mantık seviyeli N-MOSFET’lerin tümü burada aynı şekilde davranır.