Logikpegel wandeln

Welche Technologien passen zusammen

Wir wollen den Eingang eines Gatters einer Technologie mit dem Ausgang eines Gatters einer anderen Technologie verbinden.

Die wichtigste Regel lautet:

• Niemals den Eingang eines Gatters mit dem Ausgang eines Gatters mit höherer Versorgungsspannung verbinden.

• Für uns bedeutet dies: Schließe keine Gatter mit 3,3 V Versorgung an Gatter mit 5 V Versorgung an.

• Hierfür sind spezielle Pegelwandler erforderlich.

Was passiert, wenn der Eingang eines 5 V-Gatters mit dem Ausgang eines 3,3 V-Gatters verbunden wird?

• Alle 5 V-TTL-Eingänge und 3,3 V-LVT-Eingänge können an 3,3 V-LVT und 3,3 V-CMOS-Ausgänge angeschlossen werden.

• An 5 V-CMOS passt nur 5 V-CMOS. Dies gilt sowohl für Eingänge als auch für Ausgänge.

• Eingänge von 3,3 V-CMOS können nur mit Ausgängen von 3,3 V-CMOS verbunden werden.

• Für alle anderen Kombinationen sind spezielle Pegelwandler erforderlich.

Technologie  am Eingang	5 V-TTL	5 V-CMOS	3,3 V-CMOS	3,3 V-LVT
Technologie  am Ausgang
5 V-TTL
5 V-CMOS
3,3 V-CMOS
3,3 V-LVT

Tabelle 1: Kompatibilität von Technologien

unmittelbar kompatibel

nicht kompatibel

• Es ist ein Pegelwandler erforderlich.

kompatibel mit Pull-Up-Widerstand

• Einen Pull-Up-Widerstand zwischen dem Ausgang eines Gatters und der Versorgungsspannung schalten.

Pegelwandler

Wir betrachten zwei Fälle:

• Daten von Systemen mit niedrigerer Spannung zu Systemen mit höherer Spannung.

• Daten von Systemen mit höherer Spannung zu Systemen mit niedrigerer Spannung.

Transistor-Pegelwandler

Die einfachste Lösung ist ein Transistor-Schalter.

Die Schaltung ist einfach. Sie funktioniert in beiden Fällen, also U₁<U₂ und U₁>U₂.

• Der Transistor arbeitet als Inverter.

Die Schaltung kann auch von 5 V-TTL auf 3,3 V-LVT, 3,3 V-CMOS oder 5 V-CMOS verwendet werden.

Ein LVT-Ausgang liefert nicht genügend Spannung für einen 3,3 V-CMOS-Eingang. Die Ausgangsspannung eines LVT-Ausgangs kann einfach durch einen Pull-Up-Widerstand angehoben werden.

Beim Raspberry Pi kann der Widerstand entfallen, wenn der GPIO-Ausgang mit einem Pull-Up-Widerstand konfiguriert ist. Generell wird jedoch empfohlen, einen externen Widerstand zu verwenden.

Pegelwandler mit 74HC4050

Der 74HC4050 kann als Pegelwandler von 5 V auf 3,3 V verwendet werden. Die übrigen Gatter des 74HC4050 können auch im 3,3 V-System verwendet werden. Anstelle des 74HC4050 kann auch der Inverter 74HC4049 verwendet werden.

LVT-Pegelwandler

Für LVT-Systeme stehen integrierte Pegelwandler zur Verfügung.

Der SN74LVC245 ist ein 8-Bit bidirektionaler Pegelwandler zwischen 5 V- und 3,3 V-Systemen. Er ist eigentlich für Datenbusse vorgesehen. Er wird auch in einem DIL-20-Gehäuse geliefert.

Der SN74LV1T04 ist ein 1-Bit Pegelwandler von 1,8 V-, 2,5 V-, 3,3 V- und 5 V-Systemen auf 3,3 V. Er wird nur im SMD-Gehäuse SOT-23(5) geliefert.

Bidirektionaler Wandler

Abschließend soll noch eine Universal-Schaltung vorgestellt werden. Sie kann auch für die bidirektionale Übertragung 5 V -> 3,3 V und 3,3 V -> 5 V verwendet werden.

Für die Wandlung wird ein N-MOSFET verwendet. Der BSS138 entspricht weitgehend dem uns bekannten 2N7000. Er hat jedoch ein SMD-Gehäuse.

Wir können diesen Wandler von beiden Seiten betrachten.

3,3 V -> 5 V

Wenn am linken Eingang ein LOW anliegt, liegt die Source des MOSFETs auf 0 V. Da das Gate auf 3,3 V liegt, ist der MOSFET eingeschaltet und zieht den rechten Ausgang auf 0 V, also LOW.

Bei LOW hat der linke Eingang eine maximale Spannung von V_ol=0,4 V. Der MOSFET schaltet diese Spannung auf den Ausgang. Am Ausgang liegt ebenfalls V_ol=0,4 V an.

Wenn jedoch ein Strom von einem TTL-Eingang zum Ausgang fließt, fällt am MOSFET eine Spannung ab, die die Spannung am Ausgang erhöht. Bei einem TTL-Gatter fließt ein Strom von 1,6 mA. Außerdem fließt durch R₂ der Strom I₂=5 V/10 kΩ=0,5 mA. Der 2N7000 bzw. BSS138 hat bei 3,3 V Gatespannung einen Ein-Widerstand von maximal 10 Ω. Wir müssen also mit U_s=(1,6 mA+0,5 mA)*10 Ω=0,021 V zusätzlicher Spannung rechnen. Die können wir leicht von der Reserve bis U_il=0,8 V abknabbern

Wenn der linke Eingang HIGH ist, liegt die Source des MOSFETs auf 3,3 V. Der MOSFET ist ausgeschaltet. Der Widerstand R₂ zieht den rechten Ausgang auf 5 V, also HIGH.

Der Ausgang eines 3,3 V-Gatters liefert jedoch mindestens 2,4 V. Am Gate des MOSFETs liegen also 3,3 V-2,4 V=0,9 V an. Je nach Exemplar des 2N7000 bzw. BSS138 könnte der MOSFET bereits leiten. Aber der Widerstand R₁ zieht die Eingangsspannung auf 3,3 V und der MOSFET wird sicher abgeschaltet.

• Fazit Der Pegelwandler wandelt von 3,3 V -> 5 V-Systeme.

5 V -> 3,3 V

Der Eingang ist jetzt rechts.

Wenn HIGH am rechten Eingang anliegt, liegen das Gate und die Source des MOSFETs auf 3,3 V und der MOSFET ist gesperrt. Die höhere Spannung am rechten Eingang kann den linken Ausgang nicht erreichen. Auch wenn am rechten Ausgang ein TTL-Gatter liegt, fließt nur ein geringer Strom von etwa 20 µA in das Gatter. Die Spannung am linken Ausgang wird dadurch nur geringfügig kleiner ( 20 µA * 10 kΩ = 0,2 V ). Der Pegel am Ausgang bleibt damit im Bereich von HIGH.

Wenn der rechte Eingang auf LOW geschaltet wird, der linke Ausgang aber noch HIGH ist, ist der MOSFET ausgeschaltet. Über die Body-Diode des MOSFETs fließt dann Strom vom linken Ausgang zum rechten Eingang. Die Spannung am linken Ausgang sinkt und die Spannung am Gate des MOSFETs steigt. Der MOSFET schaltet ein und schaltet den LOW-Pegel vom rechten Eingang durch.

Es fällt wieder nur eine geringe Spannung am MOSFET ab. Damit wird auch, wenn rechts ein TTL-Eingang angeschlossen ist, ein LOW übergeben.

• Fazit Der Pegelwandler wandelt von 5 V -> 3,3 V-Systeme.