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ENIACの時代に戻ると、コンピューターは本質的にアナログであり、デジタルICをほとんど使用していませんでした。今日、平均的なジョーのコンピューターは複数の電圧レベルで動作します。CPUのSMPSを見た人は、コンピューターが動作するのに±12V、+ 5V、+ 3.3Vが必要であることに気づいたでしょう。これらの電圧レベルは、コンピューターにとって非常に重要です。特定の電圧が信号の状態（高または低）を決定します。この高状態は、コンピューターによってバイナリ1として受け入れられ、低状態はバイナリ0として受け入れられます。0および1の状態に応じて、コンピューターは必要な出力を提供するためのデータ、コード、および命令を生成します。

最新のロジック電圧レベルは、1.8Vから5Vまで大きく異なります。標準のロジック電圧は5V、3.3V、1.8Vなどです。ただし、5Vロジックレベル（Arduinoの例）で動作するシステムまたはコントローラーは、3.3V（ESP8266の例）またはその他の異なる電圧で動作する別のシステムとどのように通信しますかレベル？このシナリオは、複数のマイクロコントローラーまたはセンサーが使用されている多くの設計でよく発生します。ここでの解決策は、ロジックレベルコンバーターまたはロジックレベルシフターを使用することです。この記事では、ロジックレベルコンバータについて詳しく学習します。また、回路設計に役立つMOSFETを使用した単純な双方向ロジックレベルコンバータ回路を構築します。

高レベルおよび低レベルの入力電圧

ただし、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ側からは、論理電圧レベル値は固定されていません。ある程度の許容範囲があります。たとえば、5Vロジックレベルマイクロコントローラで受け入れられるロジックハイ（ロジック1）は、最小2.0V（最小ハイレベル入力電圧）から最大5.1V（最大ハイレベル入力電圧）です。同様に、ロジックロー（ロジック0）の場合、許容される電圧値は0V（最小ローレベル入力電圧）から最大8V（最大ローレベル入力電圧）までです。

上記の例は5Vロジックレベルのマイクロコントローラに当てはまりますが、3.3Vおよび1.8Vロジックレベルのマイクロコントローラも利用できます。このようなタイプのマイクロコントローラでは、論理レベルの電圧範囲が異なります。その特定のコントローラICのデータシートから関連情報を取得できます。電圧レベルコンバータを使用する場合、高電圧値と低電圧値がこれらのパラメータの制限内にあることに注意する必要があります。

双方向ロジックレベルコンバータ

アプリケーションと技術的構造に応じて、単方向論理レベルコンバータと双方向論理レベルコンバータの2種類のレベルシフターを使用できます。単方向レベルコンバータでは、入力ピンは一方の電圧ドメイン専用で、出力ピンはもう一方の電圧ドメイン専用ですが、双方向レベルコンバータの場合はそうではなく、論理信号を両方向に変換できます。双方向レベルコンバータの場合、各電圧ドメインには入力ピンだけでなく出力ピンもあります。たとえば、入力側に5.5Vを供給すると、出力側で3.3Vに変換されます。同様に、出力側に3.3Vを供給すると、入力側で5Vに変換されます。

このチュートリアルでは、単純な双方向レベルコンバーターを作成し、高から低への変換と低から高への変換をテストします。

シンプルな双方向ロジックレベルコンバータ

簡単な双方向ロジックコンバータ回路を下の画像に示します。

この回路は、nチャネルMOSFETを使用して、低電圧ロジックレベルを高電圧ロジックレベルに変換します。抵抗性分圧器を使用して単純な論理レベルコンバータを構築することもできますが、電圧損失が発生します。MOSFETまたはトランジスタベースのロジックレベルコンバータは、プロフェッショナルで信頼性が高く、より安全に統合できます。

この回路は、R1とR2の2つの追加コンポーネントも使用します。それらはプルアップ抵抗です。部品点数が最も少ないため、費用効果の高いソリューションでもあります。上記の回路に応じて、単純な3.3Vから5Vの双方向ロジックコンバータが構築されます。

MOSFETを使用した5Vから3.3Vのレベルコンバータ

3.3V双方向ロジックレベル変換に5V 回路は以下の画像で見ることができます-

ご覧のとおり、抵抗R1とR2に5Vと3.3Vの定電圧を供給する必要があります。Low_side_Logic_InputピンとHigh_Side_Logic_Inputピンは、入力ピンと出力ピンとして交換可能に使用できます。

上記の回路で使用されているコンポーネントは

R1-4.7k

R2-4.7k

Q1-BS170（NチャネルMOSFET）。

両方の抵抗は1％耐性があります。許容誤差が5％の抵抗器も機能します。BS170 MOSFETのピン配列は、ドレイン、ゲート、ソースの順に下の画像で確認できます。

回路構造は、それぞれ4.7kの2つのプルアップ抵抗で構成されています。MOSFETのドレインピンとソースピンは、低から高、または高から低のロジック変換のために、必要な電圧レベル（この場合は5Vおよび3.3V）にプルアップされます。R1とR2はプルアップ抵抗としてのみ機能するため、1kから10kまでの任意の値を使用することもできます。

完全な動作状態を得るには、回路を構築する際に満たす必要のある2つの条件があります。最初の条件は、低レベルのロジック電圧（この場合は3.3V）をMOSFETのソースに接続し、高レベルのロジック電圧（この場合は5V）をMOSFETのドレインピンに接続する必要があることです。2番目の条件は、MOSFETのゲートを低電圧電源（この場合は3.3V）に接続する必要があることです。

双方向論理レベルコンバータのシミュレーション

論理レベルシフター回路の完全な動作は、シミュレーション結果を使用して理解できます。下のGIF画像でわかるように、高レベルから低レベルへのロジック変換中に、ロジック入力ピンが5Vと0V（グランド）の間でシフトされ、ロジック出力が3.3Vと0Vとして取得されます。

同様に、低レベルから高レベルへの変換中、ロジック入力は3.3V〜0Vであり、以下のGIF画像に示すように、5V〜0Vのロジック出力に変換されます。

ロジックレベルコンバータ回路の動作

これらの2つの条件を満たした後、回路は3つの状態で動作します。状態は以下のとおりです。

1. ローサイドがロジック1またはハイ状態（3.3V）の場合。
2. ローサイドがロジック0またはロー状態（0V）の場合。
3. ハイサイドが状態を1から0またはハイからロー（5Vから0V）に変更したとき

ローサイドが高い場合、つまりMOSFETのソース電圧が3.3Vの場合、MOSFETのVgsしきい値ポイントに達していないため、MOSFETは導通しません。この時点で、MOSFETのゲートは3.3Vであり、MOSFETのソースも3.3Vです。したがって、Vgsは0Vです。MOSFETはオフです。ローサイド入力のロジック1またはハイ状態は、プルアップ抵抗R2を介して5V出力としてMOSFETのドレイン側に反射します。

この状況で、MOSFETのローサイドがハイからローに状態を変えると、MOSFETは導通を開始します。ソースはロジック0であるため、ハイサイドも0になります。

上記の2つの条件は、低電圧ロジック状態を高電圧ロジック状態に正常に変換します。

もう1つの動作状態は、MOSFETのハイサイドがその状態をハイからローに変更するときです。ドレイン基板ダイオードが導通し始める時間です。Vgsがスレッショルドポイントを超えるまで、MOSFETのローサイドは低電圧レベルにプルダウンされます。低電圧部と高電圧部のバスラインが同じ電圧レベルで低くなりました。

コンバータのスイッチング速度

ロジックレベルコンバータを設計する際に考慮すべきもう1つの重要なパラメータは、遷移速度です。ほとんどのロジックコンバータはUSART、I2Cなどの通信バス間で使用されるため、ロジックコンバータが通信回線のボーレートと一致するのに十分な速度（遷移速度）で切り替わることが重要です。

遷移速度はMOSFETのスイッチング速度と同じです。したがって、BS170データシートによると、この場合、MOSFETのターンオン時間とMOSFETのターンオフ時間は以下のようになります。したがって、ロジックレベルコンバータの設計に適したMOSFETを選択することが重要です。

したがって、ここでのMOSFETは、オンに10nS、オフに10nSを必要とします。つまり、1秒間に10,00,000回オンとオフを切り替えることができます。私たちの通信回線が（ボーレート）115200ビット/秒の速度で動作していると仮定すると、1秒間に1,15,200だけオンとオフになることを意味します。そのため、高ボーレートの通信にもデバイスを非常にうまく使用できます。

ロジックコンバーターのテスト

回路をテストするには、次のコンポーネントとツールが必要です-

1. 2つの異なる電圧出力を備えた電源。
2. 2つのマルチメータ。
3. 2つの触覚スイッチ。
4. 接続用のワイヤーが少ない。

回路図は、回路をテストするために変更されています。

上記の回路図では、2つの追加の触覚スイッチが導入されています。また、ロジック遷移をチェックするためのマルチメータが付属しています。SW1を押すと、MOSFETのローサイドの状態がハイからローに変化し、ロジックレベルコンバータが低電圧から高電圧へのロジックレベルコンバータとして機能します。

一方、SW2を押すと、MOSFETのハイサイドの状態がハイからローに変化し、ロジックレベルコンバータが高電圧から低電圧へのロジックレベルコンバータとして機能します。

回路はブレッドボードで構成され、テストされています。

上の写真は、MOSFETの両側の論理状態を示しています。どちらもロジック1の状態です。

完全に機能するビデオは、以下のビデオで見ることができます。

ロジックレベルコンバータの制限

回路には確かにいくつかの制限があります。制限は、MOSFETの選択に大きく依存します。最大電圧とドレイン電流は、この回路で使用することができるMOSFETの仕様に依存しています。また、最小ロジック電圧は1.8Vです。MOSFETのVgs制限により、1.8V未満の論理電圧は正しく機能しません。1.8Vより低い電圧の場合、専用のロジックレベルコンバータを使用できます。

重要性とアプリケーション

導入部で説明したように、デジタル電子機器の互換性のない電圧レベルは、インターフェースとデータ伝送の問題です。したがって、回路の電圧レベル関連のエラーを克服するには、レベルコンバータまたはレベルシフターが必要です。

エレクトロニクス市場で、またさまざまな電圧レベルのマイクロコントローラーで幅広いロジックレベル回路が利用できるため、ロジックレベルシフターには信じられないほどの使用例があります。I2C、UART、またはオーディオコーデックに基づいて動作するいくつかの周辺機器およびレガシーデバイスには、マイクロコントローラとの通信のためにレベルコンバータが必要です。

人気のロジックレベルコンバータIC

ロジックレベル変換のための統合ソリューションを提供しているメーカーはたくさんあります。人気のあるICの1つはMAX232です。これは、マイクロコントローラのロジック電圧を5Vから12Vに変換する最も一般的なロジックレベルコンバータICの1つです。RS232ポートは、コンピューターとマイクロコントローラー間の通信に使用され、+ /-12Vを必要とします。マイクロコントローラーをコンピューターとインターフェースするために、PICおよび他のいくつかのマイクロコントローラーでMAX232をすでに使用しました。

非常に低い電圧レベルの変換、変換速度、スペース、コストなどに応じて、さまざまな要件も存在します。

SN74AXはまたによって双方向電圧レベル変換器の人気シリーズであるテキサス・インスツルメンツ。このセグメントには、追加機能とともにシングルビットから4ビットへの電源バス遷移を提供するICが多数あります。

ICコンバータもう一つの人気の双方向ロジック・レベルがあるMAX3394Eからのマキシム・インテグレーテッド。MOSFETを使用した同じ変換トポロジーを使用します。ピンダイアグラムは下の画像で見ることができます。コンバーターは、追加機能であるマイクロコントローラーを使用して制御できる個別のイネーブルピンをサポートします。

上記の内部構造は、同じMOSFETトポロジを示していますが、Pチャネル構成です。I / OおよびVCCラインでの15kVESD保護など、多くの追加機能があります。典型的な回路図は下の画像で見ることができます。

上の回路図は、1.8Vロジックレベルを3.3Vロジックレベルに、またはその逆に変換する回路を示しています。任意のマイクロコントローラユニットであるシステムコントローラもENピンを制御しています。

つまり、これはすべて双方向論理レベル変換回路と動作に関するものです。