Согласование логических уровней 3,3 и 5 В

Когда можно соединить напрямую

Microchip в DS41285A (TIP #5) формулирует условие так: выход можно подключить ко входу без преобразователя, если напряжение единицы выхода V_OH больше порога единицы входа V_IH, а напряжение нуля V_OL меньше порога нуля V_IL. Типовые пороги из того же документа (табл. 4-1):

Это ориентиры: для расчёта берите пороги из даташита конкретной микросхемы. Выход 3,3 В LVCMOS (единица от 3,0 В) уверенно управляет входом 5 В TTL (порог 2,0 В), но не входом 5 В CMOS (порог 3,5 В). У ATmega328P при питании 5 В порог единицы — 0,6 · V_CC = 3,0 В, нуля — 0,3 · V_CC = 1,5 В (DS40002061B, табл. 30-1): выход 3,3 В проходит, но с запасом около 0,3 В.

В обратную сторону, 5 → 3,3 В, пороги обычно выполняются, а проблема — напряжение: 5 В превышают допустимое для входа 3,3 В. У STM32F072 выводы с пометкой FT выдерживают до V_DDIOx + 4,0 В при выключенных встроенных подтягивающих резисторах, а выводы TTa и остальные — только до 4,0 В (DS9826, табл. 21). На FT-вывод 5-вольтовый сигнал можно подавать напрямую (TIP #9), на остальные — через делитель.

5 → 3,3 В: делитель

Делитель уменьшает 5 В до 3,3 В (DS41285A, TIP #12). Сопротивление выхода 5 В — обычно меньше 10 Ом, входа 3,3 В — больше 500 кОм, их влиянием можно пренебречь. Отношение резисторов (уравнение 12-1):

Чем больше сопротивления, тем меньше ток, но медленнее фронт: делитель вместе с ёмкостью монтажа C_S и входа C_L — это RC-цепь. Для неё эквивалентное сопротивление R = 0,66 · R₁, эквивалентный источник — 0,66 · V_S, а время фронта (уравнение 12-2)

Пример из DS41285A: C_S = 30 пФ, C_L = 5 пФ, фронт от 0,3 до 3 В — не дольше 1 мкс. Предельное эквивалентное сопротивление $R = 10^{-6} / (35 \cdot 10^{-12} \cdot \ln 10) = 12{,}4$ кОм, отсюда R₁ ≤ 12,4/0,66 = 18,8 кОм и R₂ ≤ 36,5 кОм. В самом документе на последнем шаге R₁ получен умножением на 0,66 (8,19 кОм) — такой делитель тоже работает, просто с запасом по скорости.

Удобная пара из ряда E24 — R1 = 10 кОм, R2 = 20 кОм: 5 · 20/30 = 3,33 В, эквивалентное сопротивление 6,67 кОм, фронт от 0,3 до 3 В при 35 пФ — около 0,5 мкс, ток делителя в единице — 0,17 мА. Для частот в мегагерцы сопротивления уменьшают или ставят интегральный транслятор.

5 → 3,3 В: резистор и защитные диоды

Многие микросхемы защищают входы диодами на шину питания и на общий провод (DS41285A, TIP #10). Если подать на такой вход 5 В через резистор, лишний ток уйдёт через верхний диод в шину 3,3 В. Ток через защитные диоды держат в пределах микроампер — иначе можно вызвать защёлкивание (latch-up), — поэтому резистор нужен обязательно. Есть и побочный эффект: втекающий ток поднимает напряжение слабо нагруженной шины 3,3 В (TIP #11).

У STM32F072 для выводов FT положительный втекающий ток не допускается (от −5 до 0 мА): пока напряжение не выше допустимого, его и нет. Для выводов TC и RST допускается до ±5 мА (DS9826, табл. 22). Делитель надёжнее: он не зависит от внутреннего устройства входа.

3,3 → 5 В: транслятор на MOSFET

Если порог единицы входа 5 В выше единицы выхода 3,3 В, нужен транслятор (DS41285A, TIP #6). Выход 3,3 В управляет затвором N-канального MOSFET, сток подтянут резистором R1 к 5 В. Схема инвертирует сигнал — это учитывают в программе. Транзистор выбирают с порогом V_GS(th) ниже единицы выхода 3,3 В.

Фронт в ноль быстрый — его формирует открытый транзистор, а фронт в единицу — RC-цепь из R1 и ёмкостей входа и монтажа:

При R1 = 10 кОм и 30 пФ это 0,9 мкс; при этом в нуле через R1 течёт 0,5 мА. Меньше R1 — быстрее фронт и больше ток.

Двунаправленная шина I²C

У I²C линии SDA и SCL двунаправленные, с открытым стоком, а направление никто не задаёт. NXP в AN10441 предлагает решение на одном N-канальном MOSFET на каждую линию:

Затвор подключён к низкому напряжению V_DD1, исток — к линии на стороне 3,3 В, сток — к линии на стороне 5 В; у каждой стороны свои подтягивающие резисторы R_p. Работа в трёх состояниях:

1. Линию никто не тянет вниз. Сторона 3,3 В подтянута к 3,3 В, затвор и исток под одним напряжением, транзистор закрыт. Сторона 5 В подтянута к 5 В. Обе линии в единице — каждая на своём уровне.
2. Устройство 3,3 В тянет линию вниз. Исток опускается, затвор остаётся на 3,3 В, транзистор открывается и тянет вниз сторону 5 В.
3. Устройство 5 В тянет линию вниз. Сначала проводит встроенный диод транзистора (между стоком и подложкой), сторона 3,3 В опускается, пока напряжение затвор — исток не превысит порог; дальше линию тянет открытый транзистор.

По AN10441 схема работает в режимах Standard и Fast — до 400 кбит/с, но не в Hs-режиме. Заодно она отделяет выключенную часть шины от остальной и защищает сторону с низким напряжением от выбросов со стороны высокого. В нормальной работе V_DD2 должно быть не ниже V_DD1; кроме пары 3,3 и 5 В возможны, например, 2 и 10 В.

Транзистор — N-канальный с порогом заметно ниже V_DD1: у BSS138 порог от 0,8 до 1,5 В, напряжение сток — исток до 50 В. Подтягивающие резисторы каждой стороны считают как для обычной шины, по ёмкости линии и скорости:

Детали

Почему не работает

• Делитель «заваливает» фронты. Сопротивления слишком большие для частоты сигнала: на SPI в мегагерцы делитель 10 + 20 кОм не годится.
• Микроконтроллер на 3,3 В работает странно или греется. 5 В поданы на вывод без пометки FT или на FT-вывод со включённым встроенным подтягивающим резистором (тогда предел — 4 В).
• Шина 3,3 В «поднялась» выше 3,3 В. Ток через защитные диоды входа заряжает слабо нагруженную шину питания.
• I²C через модуль на BSS138 не работает. Перепутаны стороны (сток должен быть со стороны высокого напряжения), нет подтягивающих резисторов на одной из сторон или затвор подключён не к низкому напряжению.
• SPI через модуль для I²C искажается. Фронт единицы задаёт подтягивающий резистор — для мегагерцовых сигналов он медленный.
• Инвертированные данные. Транслятор на одном MOSFET переворачивает сигнал — это нужно учесть в программе или поставить второй каскад.