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2020 가을학기 디지털집적회로설계 11-2
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Level Shift 란? – Edward’sLabs – Tistory
만약 FET의 동작원리를 잘 모른다면 – http://blog.skhynix.com/m/post/941 참조하세요. 동작원리. 1. 첫 번째 회로를 간단히 설명드리자면, FET(Gate)에 …
Source: openstory.tistory.com
Date Published: 1/25/2022
View: 6327
Voltage Converter 와 Level Shifter. 뭐가 다른 거지?
level shifter는 Power를 다루는게 아니라 Signal의 전압을 바꿔준다. Power source의 전압을 바꿔주는 voltage converter와 활용처가 분명히 다른 것이다 …
Source: parsimony.tistory.com
Date Published: 10/1/2022
View: 4092
신호 레벨 변환 회로(Level Transceiver/Translator/Shifter) 설계
에 대해 설명하며 글을 마치도록 하겠습니다. ※ 이 글에 등장하는 모든 예시 회로는 다음 신호 레벨 변환에서 정상 동작함을 검증하였습니다. 3.3V …
Source: www.tuwlab.com
Date Published: 9/13/2022
View: 4057
3.3v to 5v 로직 컨버터 원리 – Brise
이 로직 컨버터는 양방향(bi-directional)로 동작 가능하고 … http://www.hobbytronics.co.uk/mosfet-voltage-level-converter.
Source: naudhizb.tistory.com
Date Published: 2/15/2021
View: 4418
FET를 활용한 I2C 레벨 시프터(Level Shifter)
전압 레벨이 서로 다른 디바이스(Device) 간의 I2C 통신을 해야 될 경우 레벨시프터(Level Shifter)를 사용한다. A 디바이스 전압 레벨이 1.8V이고 B …
Source: tonz.tistory.com
Date Published: 1/1/2022
View: 1484
FET를 이용한 Level Shifter 회로 – OSHW Alchemist
출처 : http://www.limetrace.co.uk/logic-level-converters-and-their-usage 최근에 아두이노를 많이 사용하고 있다. 아두이노의 MCU는 5V에서 동작 …
Source: dokkodai.tistory.com
Date Published: 5/9/2022
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간단한 레벨시프터.
High level의 신호가 0이면 Q5는 기생 다이오드에 0.7v 전압이 인가되어 Q5를 ON 상태로 만들고 Low쪽 신호가 0이 된다. 3.3v <-> 5v 신호 레벨 시프터를 …
Source: venusdebris.tistory.com
Date Published: 6/23/2021
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level shifter?? – A Kind of Magic
각종 전자회로를 접하다 보면 level shifter란 놈을 자주 만나게 되는데요… 대표적으로 GSM PHONE의 … 동작원리는 또 어떤지…..부탁드립니다.
Source: rootfriend.tistory.com
Date Published: 2/17/2021
View: 7497
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주제에 대한 기사 평가 level shifter 동작 원리
- Author: Docceptor
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- Date Published: 2021. 1. 2.
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Level Shift 란?
위 그림을 보시면 아시겠지만, FET를 이용한 Level Shift입니다.
만약 FET의 동작원리를 잘 모른다면 – http://blog.skhynix.com/m/post/941 참조하세요.
동작원리
1. 첫 번째 회로를 간단히 설명드리자면, FET(Gate)에 3.3V가 걸리면서 DVR_TX_5V와 AU_RX0가 FET으로 몰리게되고, 몰리게 되면서 3.3V는 Drain방향인 AU_RX0로 흐르게 됩니다. (참고로 FET(Gate)에 0.6V가 걸리면 Drain과 Source가 도통되게 됩니다.)
2. 두번째 회로는 FET에 5V가 걸리면, DVR_TX_5V와 AU_RX0(3.3V)가 FET으로 몰리게되면서 5V가 Drain인 DVR_RX_5V로 흐르게 됩니다.
사용이유
위 회로를 사용하는 이유는, 5V를 사용하는 Device와 3.3V를 사용하는 Device가 다를 경우에 사용하게 됩니다.
하나의 Device는 5V동작하고 또 하나의 Device는 3.3V로 동작하는데, 둘다 3.3V를 걸어준다면 ! 하나의 Device는 제대로 동작하겠지만, 5V의 Device는 전압이 부족해서 동작을 안하겠지요?
반대로, 5V를 걸어주면 5V Device는 제대로 동작하겠지만 3.3V Device는 반대로 전압이 Over되서 고장나게 되겠죠?
그래서 이렇게 맞는 전압에 맞춰주기 위해서 Level Shift를 사용합니다.
혹은 정말 필요한 부품의 동작 전압이 다른경우에 이런 회로를 구성하여 동작하게 됩니다.
Voltage Converter 와 Level Shifter. 뭐가 다른 거지?
현재 대부분의 전자제품에는 반도체가 들어가 있으며, 이 반도체는 IC(Integrated Circuit) 형태로 집적화 되어있다. 이 IC들을 사용하기 위해서는 전력을 공급해줘야 하며, 공급해줘야 하는 전압과 전류에 대한 스펙이 정해져 있는데, 이것은 제품마다 매우 다양하다. 그렇기 때문에 전압, 전류 스펙이 서로 다른 IC들을 그냥 연결해서 사용하면 정격 전압이 다르기 때문에 서로 호환이 안 되어 사용을 못할 뿐만 아니라, Maximum Rating이 낮은 IC는 망가질 수도 있다.
그렇다면 전압, 전류 스펙이 다른 IC들끼리는 함께 사용하지 못하는 것일까? 그렇지 않다. 공급 전압을 바꿀 때에는 주로 ‘Voltage converter’라고 불리는 소자를 사용해서 전압을 변경시켜 공급해준다. 다른 소자에서 12V 전압이 출력되어도 입력 12V에 출력 3.3V인 Voltage converter가 있으면 3.3V의 전압을 다른 IC의 입력 전압으로 사용 할 수 있는 것이다.
그런데 전압을 바꿔주는 소자는 Voltage converter 뿐만 아니라 ‘Level shifter’도 존재한다. 이름은 컨버터와 비슷한 느낌인다. 하지만 분명 활용처가 다르다. 정체가 뭘까? Level shifter는 Voltage converter와 어떤 점이 다른 것일까?
사전적 정의
우선 voltage converter의 정의부터 살펴보자. 위키백과에서 따온 글이다.
“A voltage converter is an electric power converter which changes the voltage of an electrical power source. It may be combined with other components to create a power supply .”
위키백과에 쓰여있듯이 voltage converter는 Power source의 공급 전압을 바꿔주는 소자다. 공급 전원 자체를 통째로 바꿔주는 것이다.
* Voltage Converter에는 동작 방식에 따라 Linear Regulator와 Switching Regulator로 분류할 수 있으며, 전압을 강하시키는 컨버터는 Buck Converter라고 하며, 승압시키는 컨버터는 Boost Converter라고 한다. 둘 다 가능하면 Buck-boost Converter라고 한다. 이에 대해선 별도 포스팅할 것이다.
그럼 Level shifter는 어떨까? 위키백과 정의를 보자.
“A level shifter (level translator), in digital electronics , also called logic-level shifter or voltage level translation, is a circuit used to translate signals from one logic level or voltage domain to another, allowing compatibility between ICs with different voltage requirements, such as TTL and CMOS .”
굵게 표시된 글씨가 보이는가? level shifter는 Power를 다루는게 아니라 Signal의 전압을 바꿔준다. Power source의 전압을 바꿔주는 voltage converter와 활용처가 분명히 다른 것이다. 여기서 Signal은 Power를 제외한 모든 Analog/Digital signal을 말한다. 굳이 표현하자면, Voltage converter는 에너지의 전압 을 바꾸는 것이고, level shifter는 정보의 전압 을 바꾸는 것이다.
보드의 전압을 바꿀 때는 VDD(Power supply voltage)를 바꿀 때도 있지만, 현재 사용 중인 Signal의 전압을 바꿔야 할 때도 있다. Signal 전압을 바꾸기 위해서 level shifter를 사용하는 것이다.
* level shifter는 level translator 또는 level Transceiver라고 표현하기도 한다.
다이어그램
위 그림은 Voltage converter와 level shifter의 대략적인 역할과 활용도를 나타낸 다이어그램이다. Voltage converter는 그 자체로도 동작할 수 있으며, 달아놓는 저항값에 따라 출력 전압 값이 결정된다. 하지만 level shifter는 변환하기 전의 전압과 변환 후의 전압을 Power로 각각 공급해줘야 하며, Signal의 출력 전압은 출력단에 입력해준 Power 값에 의해 결정된다.
회로도
좀 더 구체적으로 보자. voltage converter는 칩에 달린 저항에 따라 출력 전압값이 결정된다고 했다.
TI사의 LM5009A
위는 TI사의 Voltage converter 중 하나다. SW(스위칭레귤레티어 출력을 의미) 단과 FB(Feedback) 단에 달린 저항값의 대소에 따라 출력 전압 Vout이 결정된다. 그래서 전원 공급은 VIN에만 넣어주면 되고, 출력 전압은 사용자의 저항값 선정에 의해 결정된다.
level shifter는 다르다. 입력단 전원과 출력단 전원을 각각 공급해줘야하며, 출력 Signal의 전압은 출력단에 넣어준 파워의 전압에 의해 결정된다.
TI사의 TXU0304-Q1
위 그림은 TI사의 level shifter 중 하나를 가져온 것이다. VCCA에 입력 쪽 전압을 공급해주고, VCCB에 출력 쪽 전압을 공급해주는 것이 보인다. 입력 단에 연결되어있는 SoC는 5V signal을 사용 중이며, 출력 단에 연결되어있는 GPS Module은 1.2V signal을 사용 중이다. 중간에 level shifter가 5V의 signal을 1.2V로 변환해서 GPS Moudule로 전달하고 CIPO 신호를 받아서 다시 5V로 변환하여 SoC로 돌려준다. 전압을 변환하기 위한 저항은 보이지 않는다. 애초에 출력 전압 결정이 피드백 루프가 아닌 외부 공급 전원에 의해 결정되기 때문이다. 이와 같이 Voltage converter와 Level shifter는 동작 메커니즘부터 확연히 다르다.
level shifter 대신 Voltage converter?
만약 변환해야하는 Signal 전압이 하나뿐이라면 voltage converter를 써도 되지 않을까?
어차피 저항 달아주면 전압은 맞출 수 있으니 굳이 핀이 여러 개인 level shifter를 안 써도 되지 않을까?
아니, 안 된다. 전류 때문이다.
TI사의 Buck converter
위는 TI사의 Buck converter의 리스트를 가져온 것이다. 출력 전류의 단위가 주로 A단위다. 물론 출력 전류가 1A가 안 되는 제품도 존재하지만, 그마저도 가장 낮은 출력 전류 값이 수백 mA다. 그럼 level shifter는?
TI사의 Unidirectional Translator
level shifter의 출력 전류는 수십 mA수준이다. 가장 큰 경우도 30mA정도다. 어떤가? 출력 전류가 Voltage converter와 크게 차지 나지 않은가? 이것은 Signal line이 애초에 큰 전류를 필요로 하지 않기 때문이다. Power Supply의 경우엔 공급된 전류를 여러 용도로 사용해야 하기 때문에 충분한 크기의 전류가 필요하겠지만, Signal의 경우 말 그대로 ‘나 여기 있다.(1) 나 여기 없다(0)’ 정도만 알려주면 되기 때문에 굳이 큰 전류가 필요 없는 것이다. (동작하는 데 굳이 큰 전류가 필요하지 않다면 이왕이면 낮은 전류를 쓰는 게 좋다. 소비 전력 측면에서도 그렇고, 감전 위험을 낮추기 위한 측면에서도 그렇다.)
대부분의 IC의 Signal이 들어오는 pin에는 큰 전류를 견딜 수 있는 설계가 되어있지 않다. 그래서 signal의 전압을 바꾸기 위해 Voltage converter를 사용했다면 빠른 전류가 들어가서 IC가 전류를 견디지 못하고 망가질 위험이 있다. Signal 전압을 변환하고 싶으면 전류 때문이라도 반드시 level shifter를 써야한다.
정리
Power supply voltage를 바꾸고 싶으면 Voltage converter (Linear regulator 또는 Switching regulator)를 사용한다.
Signal voltage를 바꾸고 싶으면 Level shifter (level translator 또는 level transceiver)를 사용한다.
신호 레벨 변환 회로(Level Transceiver/Translator/Shifter) 설계
본 게시물은 2017-추계 한국항공우주공학회 학술대회에 투고한 논문의 연구노트 일부이며, 무단 전제 및 재배포시 문제가 될 수 있습니다.
디지털 회로를 설계하다 보면 전압 레벨이 서로 다른 부품을 혼용해서 사용해야 하는 경우가 있습니다. 정격 전압이 다르다면 LDO 하나만 추가로 달아주면 되지만, 로직 전압이 서로 다른 칩셋간에 통신을 해야 하는 경우 이 문제를 인지한 순간부터 숨이 턱턱 막히면서 여러가지 애로사항이 꽃피게 됩니다.
예전에 MP3를 설계할 때와, Bluetooth Module을 사용할 때 신호 레벨 차이를 고려해야 하는 상황이 있었습니다. 프로세서는 5.0V를 사용하는데, MP3 코덱 칩과 Bluetooth 모듈은 정격 전압이 3.3V인 상황이었습니다.
아예 프로젝트에 사용하는 모든 부품을 같은 전압을 사용하는 제품으로 통일해 버린다면 이런 고려를 할 필요가 없겠지만, 설계상의 문제 등으로 인하여 피치못하게 신호 레벨이 서로 다른 회로를 연결해야 하는 경우가 있습니다.
신호 레벨이 다른 칩이나 회로 단을 서로 연결할 때 그 사이에서 신호 레벨을 변환시켜주는 회로나 칩셋을 Level Transceiver 또는 Level Translator, 혹은 Level Shifter라 합니다. (같은 회로를 가리키는 말이 여러가지여서 그런지, 구글 등에서 관련 자료를 찾을 때도 많이 힘들었던 기억이 스칩니다…ㅠㅠ)
▶ 이 글에서는 범용 트랜지스터(General Purpose Transistor)들을 조합하여 Level Transceiver 회로를 구성하는 방법 에 대해 중점적으로 다룹니다. 그리고 패키지 형태로 판매되는 Level Transceiver IC 몇 가지를 소개합니다. 끝으로, Level Transceiver를 사용하지 않고 신호 레벨이 서로 다른 회로를 접합 하는 꼼수(?)에 대해 설명하며 글을 마치도록 하겠습니다.
※ 이 글에 등장하는 모든 예시 회로는 다음 신호 레벨 변환에서 정상 동작함을 검증하였습니다.
3.3V ↔ 5.0V
5.0V ↔ 12.0V
3.3V ↔ 12.0V
물론, 입/출력 단자의 임피던스와 같은 주변 회로 상황에 따라 올바르게 동작하지 않을 가능성도 존재하므로, 실제 회로에 적용하기 전에 빵판에 테스트해 보고 사용할 것을 권장합니다.ㅎㅎ
(+) 추가적으로 팁을 드리자면, 양단 신호 전압을 동일하게 인가하면 모든 신호 레벨 변환 회로는 단순 버퍼(Buffer)로 동작합니다. 이 버퍼 회로도 유용하게 활용되는 곳이 많으므로 기억해 두면 유용합니다.
승압 신호 레벨 변환 회로(Boosting Level Transceiver)
낮은 전압의 신호를 높은 전압의 신호로 변환하는 회로입니다.
출력 포트가 VCC로 풀 업(Pull-Up)되어있는지, GND로 풀 다운(Pull-Down)되어있는지 여부에 따라 두 가지 형태로 구분해서 설계해 보았습니다. 트랜지스터 한 개로 간단히 구성된 풀 업 방식에 비해, 풀 다운 방식은 트랜지스터 한 개가 더 필요한 2-Stage로 구성해야 합니다. 디지털 회로를 설계할 때 풀 다운보다 풀 업이 월등히 많이 사용되는 이유를 알 수 있는 대목입니다.
[TIP] 출력 포트의 로직 레벨에 관계없이 VCC와 GND방향 모두 낮은 임피던스가 필요한 경우 , 트랜지스터 2개를 직렬로 연결한 푸시-풀 회로(Push-Pull Circuit)를 출력 포트 다음단에 연결하면 됩니다. 푸시-풀 회로는 DC모터 정/역회전 제어와 같이 출력 포트가 항상 VCC나 GND 어느 한쪽에 ‘달라붙어’ 있어야 하는 경우 유용하게 사용할 수 있습니다.Pull-Up Boosting Level Transceiver
▲ 풀 업 방식 승압 신호 레벨 변환 회로
Pull-Down Boosting Level Transceiver
▲ 풀 다운 방식 승압 신호 레벨 변환 회로
감압 신호 레벨 변환 회로(Reducing Level Transceiver)
높은 전압의 신호를 낮은 전압의 신호로 변환하는 회로입니다.
Pull-Up Reducing Level Transceiver
▲ 풀 업 방식 감압 신호 레벨 변환 회로
Pull-Down Reducing Level Transceiver
▲ 풀 다운 방식 감압 신호 레벨 변환 회로
양방향 신호 레벨 변환 회로(Bidirectional Level Transceiver)
낮은 전압의 신호를 높은 전압의 신호로, 높은 전압의 신호를 낮은 전압의 신호로 변환하는 회로입니다.
별도의 Direction 제어 신호 없이 신호가 인가되는 포트에서 반대쪽 포트로 신호 레벨이 변환되어 전달되므로, I2C(TWI)통신이나 메모리 인터페이스와 같이 신호선의 Data흐름 방향이 수시로 변하면서 양방향 통신을 해야 하는 경우 유용하게 활용할 수 있습니다.
회로도를 자세히 보면 알 수 있겠지만, 양방향이라고 해서 무슨 원기옥을 갈아넣은 게 아니라, 단지 위에서 설명한 승압 회로와 감압 회로를 서로 반대 방향으로 접붙여 놓은 회로입니다. 신호가 인가된 포트에 해당하는 방향의 신호 레벨 변환 회로만 활성화되어 동작하므로 양방향 통신이 가능합니다.
양쪽 입출력 포트 모두 풀 업이거나 풀 다운이므로 양쪽 포트에서 동시에 신호가 인가되더라도 회로가 망가지지 않습니다. (직접 실험해 보았습니다…^^)
여기에 올리지는 않았지만, 풀 업 방식과 풀 다운 방식을 조합한 양방향 회로도 설계가 가능합니다. 단, 이 경우 양쪽 포트에서 동시에 서로 다른 로직 신호를 인가하면… 화려한 트랜지스터 불꽃놀이 쑈를 보실 수 있을 것입니다.ㄷㄷ
Pull-Up Bidirectional Level Transceiver
▲ 풀 업 방식 양방향 신호 레벨 변환 회로
R18(100Ω)은 양단간 신호 전압차가 클 경우 (9V 이상) 트랜지스터의 Breakdown 현상으로 인해 낮은 전압의 신호선에서 높은 전압의 신호선 방향으로 0V(Logical ‘0’)가 제대로 전달되지 않는 현상을 방지하기 위해 추가한 것입니다. 이 저항값은 양단간 신호 전압차와 사용하는 범용 트랜지스터의 종류에 따라 실험에 의거하여 적절히 수정되어야 합니다. 100Ω일 때 {3.3V, 5.0V, 12.0V}의 신호 레벨 변환 모든 조합에서 올바르게 동작함을 실험적으로 검증하였습니다.
Pull-Down Bidirectional Level Transceiver
▲ 풀 다운 방식 양방향 신호 레벨 변환 회로
신호 레벨 변환 IC (Level Transceiver IC)
신호 레벨을 변환해야되는 신호선의 갯수가 몇 개 안된다면 위에서 소개할 것처럼 범용 트랜지스터와 저항으로 Level Transceiver 회로를 직접 만들어서 사용해도 무방합니다. 하지만 메모리 버스에서와 같이 대량으로(?) 신호 레벨 변환을 해야 한다면 신호 레벨 변환 IC를 사용하는 것이 좋습니다.
74ALVC164245
이 칩은 두 가지 전압 입력을 제공하여, 서로 다른 전압을 사용하는 두 회로를 접합하기 위한 신호 레벨 변환 브릿지로 사용할 수 있습니다.
▲ 74ALVC164245 Level Transceiver IC
하지만 이 IC는 DIP타입으로 된 것은 찾아보기 힘들며, 위 사진처럼 핀 간격이 약 0.5mm정도 되는 등 사용하기 상당히 난감한 모양새입니다. PCB를 찍어내는 등 대량 생산의 목적이 아니라면 멘탈 보존을 위해 아래에서 소개하는 IC를 사용하는 편이 좋습니다.
GTL2003
신호 레벨 변환 IC를 사용할 계획이라면, TI에서 생산하는 GTL2003과 같은 칩셋을 사용할 것을 권장합니다.
보통 다른 회사의 Level Transceiver 칩은 신호 흐름의 방향을 제어하는 Direction핀이 따로 있는데 반해, 이 칩에는 Voltage Reference 핀만 있을 뿐 Direction 핀은 찾아볼 수 없습니다.
▲ GTL2003 칩셋의 Unit Diagram
이 Level Transceiver IC는 어느 위에서 소개한 범용 트랜지스터를 활용한 신호 레벨 변환 회로에서와 같이 어느쪽이 Driver인지 파악해서 신호 흐름의 방향을 자동으로 감지합니다.
Level Transceiver 없이 신호 전압이 다른 칩셋 연결하기 (꼼수)
대개 많은 경우 위에서 소개한 Level Transceiver 회로나 IC를 사용하지 않고도 신호 레벨이 서로 다른 칩셋을 연결시킬 수 있는 방법이 존재합니다. 그 방법의 핵심은, TTL로직의 규격을 살펴보면 사용 신호 레벨의 60%이상을 Logical ‘1’로 인식하게 되어 있다는 점입니다.
TTL로직을 사용하는 칩셋은 대부분 이 규격에 맞도록 회로가 설계되어 있습니다. 즉, 5.0V 칩셋인 경우 그 60%인 3.0V 이상만 인가되더라도 Logical ‘1’로 인식합니다. 이러한 규격 특성을 활용하면 위에서 언급한 심란한(?) 회로나 IC를 사용하지 않고도 서로 다른 신호 레벨의 칩셋을 연결할 수 있습니다.
5.0V 칩셋(예: MCU)과 3.3V 칩셋(예: 블루투스 모뎀)을 서로 연결하려 할 때 상황을 예로 들어보겠습니다.
1. 우선, TTL규격에 의해서 5.0V의 60%는 3.0V 이므로 3.3V 칩셋에서 5.0V 칩셋으로(3.3V → 5.0V) 입력되는 신호는 그냥 연결해도 0과 1이 제대로 구분되므로 문제가 없습니다.
단, 정격 신호 전압보다 낮은 전압을 통신 용도로 사용하는 만큼, 통신 오류율이 증가한다는 점은 감안해야 합니다. Logical ‘0’의 오류율은 변동이 없겠지만, Logical ‘1’은 이를 나타내는 전압이 낮아진 만큼 0으로 잘못 인식될 가능성이 높아집니다.
2. 문제는 5.0V 칩셋에서 3.3V 칩셋으로 입력되는 신호입니다.
ⅰ) 간혹 3.3V 칩셋의 데이터시트를 잘 살펴보면 통신을 위한 신호선들은 정격 전압(VCC=3.3V)보다 높은 전압에서도 사용할 수 있도록 되어 있는 경우가 종종 있습니다. 보통 3.3V 칩셋의 경우 그 허용전압 범위가 통상 3.15V~3.45V 이지만, 때때로 다른 신호 레벨의 칩셋과 통신시 회로 구성을 간단하게 하기 위해 허용전압이 낮게는 2.5V, 높게는 5.5V까지 되는 소자도 존재합니다.
데이터시트에 기술되어 있는 신호선의 최대 입력전압(Absolute Maximum Voltage)이 5.0V를 커버하는 경우 제조사에서 보증한 사양이므로 신호 레벨 변환 회로 없이 그냥 두 칩셋을 직결하면 됩니다.
ⅱ) 반면, 데이터시트상의 신호 전압에 자비가 없는 경우 그냥 연결하면 5.0V 칩셋에서 3.3V 칩셋으로 Logical ‘1’을 보내는 순간 3.3V 칩셋은 더 이상 이 세상 칩셋이 아니게 됩니다.[…] 따라서, 반드시 신호 레벨을 낮춰서 입력 해야 합니다.
이 때 사용할 수 있는 간단한 회로가 바로 저항 분압 회로입니다. 칩셋의의 I/O핀은 보통 Impedance가 높기 때문에 단순한 저항 분압 회로를 사용하여 신호 레벨을 조정할 수 있습니다.
예시로 든 5.0V를 1.7V와 3.3V로 분압하기 위해서는 17:33의 비율을 갖는 두 개의 저항을 사용하면 됩니다. 다음은 예전에 MP3를 만들 때 5.0V 칩셋인 MCU와 3.3V 칩셋인 Codec간 신호 전압 매칭을 위해 실제로 사용했던 저항분압 Level Transceiver 회로입니다.
1.7kΩ과 3.3kΩ의 저항을 사용하여 5V에서 3.3V로 입력되는 신호(좌→우)는 3.3V로 낮춰져서 입력되고, 3.3V에서 5V로 입력되는 신호(우→좌)는 그대로 입력되도록 하였습니다.
그런 경우는 드물겠지만, 만약 입력핀의 Impedance가 낮아서 저항 분압 회로가 올바르게 동작하지 않는다면, 다소 귀찮더라도 Level Transceiver 회로나 IC를 사용해야 합니다.
그 외에도, 양방향 통신선인데 신호 레벨 변환이 반드시 필요한 경우 반드시 Level Transceiver 회로나 IC를 사용해야 합니다. 저항 분압 회로는 단방향 통신에서만 사용할 수 있습니다. (위의 예시 회로에서 MOSI_BR핀에 3.3V가 입력되더라도 MOSI핀에 5.0V가 나오는 일은 없을 것입니다.)
Level Transceiver를 사용하지 않고 신호 전압이 서로 다른 칩셋을 연결하는 꼼수(?)에 관한 자세한 내용은 다음 문서를 참조해 주세요.
▶ Level_transceiver.pdf
3.3v to 5v 로직 컨버터 원리
3.3V to 5V 로직 컨버터는 위와 같이 3.3V 전원, 5V 전원 N-채널 mosfet으로 이루어져 있다.
로우 사이드(Low side)의 전압은 0볼트부터 3.3볼트까지,
하이 사이드(High side)의 전압은 0볼트부터 5볼트까지의 범위를 가진다.
이 로직 컨버터는 양방향(bi-directional)로 동작 가능하고
둘 모두 10k저항으로 풀업 되어 있기 때문에 아무런 작동을 시키지 않는다면
1(logical high)의 상태를 가진다.
먼저 3.3v 입력을 5v로 변환시키는 방향으로 해석을 해보면
1을 입력으로 넣었을 때는 mosfet이 작동하지 않기 때문에 서로 3.3v와 5v의 상태를 가진다.
만약 로우사이드에서 0을 출력하는 경우 mosfet의 소스와 게이트 사이의 전위차가 3.3v만큼 발생하여 mosfet이 작동하게 되며
이에 따라 하이 사이드 부분의 전위가 5v에서 0v로 내려가게 된다.
따라서 하이 사이드 쪽으로 전류가 통하여 전압이 낮아진다(0)
반대로 5v입력을 3.3v로 변환하는 경우를 보았을 때
하이사이드에서 1을 출력하면 이전의 경우와 같이 mosfet이 작동하지 않고
하이 사이드가 0을 출력하는 경우 mosfet내부의 다이오드로 인하여 3.3v 전원으로부터 소스 풀업 저항을 지나 하이사이드 쪽으로 흐른다. 다이오드의 전압강하로 인하여 로우 사이드 쪽의 전위는 약 0.7v정도가 되며 이 때의 소스와 게이트 사이의 전위차로 인하여 mosfet이 작동한다. mosfet이 작동하면 로우 사이드의 전압이 0v로 낮아진다.
3.3v의 전원입력은 꼭 필수인 부분은 아니며 3.3v의 전원이 없는 경우 저항 분압을 통하여 gate에 3.3v의 전원을 공급해 주면 된다.
http://www.hobbytronics.co.uk/mosfet-voltage-level-converter
FET를 활용한 I2C 레벨 시프터(Level Shifter)
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전압 레벨이 서로 다른 디바이스(Device) 간의 I2C 통신을 해야 될 경우 레벨시프터(Level Shifter)를 사용한다.
A 디바이스 전압 레벨이 1.8V이고 B 디바이스 전압 레벨이 5V인데 A 디바이스와 B 디바이스 간의 I2C 통신을 해야 되는 상황일 때 레벨시프터를 사용한다.
레벨시프터 IC가 있지만 FET를 사용하는 방법이 심플하고 비용과 PCB 공간적으로 유리한 점이 많아 FET를 활용한 레벨시프터를 소개하고자 한다.
아래 사진은 레벨시프터 회로도이다.
A 디바이스와 B 디바이스 사이에 FET가 위치하고 각 디바이스 전압 레벨에 맞게 풀업(Pull-up) 저항으로 전압을 걸어준다.
FET의 드레인과 소스의 극성에 주의할 필요가 있으며 FET의 게이트는 낮은 전압 쪽의 전원에 결선된다.
단순한 회로이지만 한 가지 주의해야 되는 사항이 있다.
FET의 문턱전압이라 불리는 Gate Threshold Voltage를 확인해야 된다.
필자는 레벨시프터에 사용되는 FET는 FDV301N을 사용한다.
FDV301N을 사용하는 이유는 Gate Threshold Voltage와 연관이 있다.
아래 사진은 2N7002의 Electrical Characteristics이다.
Gate Threshold Voltage 항목을 통해 2N7002의 Gate Threshold Voltage를 알 수 있으며 MAX 2.5V이다.
2N7002의 Vgs가 2.5V 이상이 되어야 2N7002는 On 상태가 된다.
아래 사진은 FDV301N의 Electrical Characteristics이다.
Gate Threshold Voltage 항목을 통해 FDV301N의 Gate Threshold Voltage를 알 수 있으며 MAX 1.5V이다.
FDV301N의 Vgs가 1.5V 이상이 되어야 FDV301N은 On 상태가 된다.
위 회로도에서 FET를 2N7002로 사용했을 경우 2N7002의 Vgs가 1.8V이므로 2N7002는 Off 상태이다.
2N7002가 Off 상태이므로 A 디바이스와 B 디바이스가 안정적으로 통신을 할 수가 없다.
이처럼 FET로 레벨시프터를 사용하게 될 경우 디바이스 전압 레벨에 맞춰서 FET의 Gate Threshold Voltage를 확인하고 FET를 선정해야 된다.
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FET를 이용한 Level Shifter 회로
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출처 : http://www.limetrace.co.uk/logic-level-converters-and-their-usage
최근에 아두이노를 많이 사용하고 있다. 아두이노의 MCU는 5V에서 동작을 하고 아두이노에 연결 해서 사용하는 센서, 디스플레이, 플래쉬 메모리 같은 장치들 대부분 3.3V에서 동작을 한다.
아두이노의 I/O 핀에서 출력되는 5V 신호가 3.3V 장치의 핀에 연결이 되어 동작이 되면, 3.3V 장치는 파손 가능성이 높다. 왜냐하면 3.3V 장치의 핀은 3.3V 레벨에서 동작이 되기 때문에 높은 전압이 걸리면 파손 가능성이 있다. 단, 그 핀이 5V tolerance 이면 5V 신호가 연결되도 무방하다.
그렇기 때문에 5V를 3.3V로 변환하는 회로가 필요하다. 그것이 Level Shifter이다.
보통 MOSFET을 이용해서 Level Shifter 회를 구성한다. 아래가 Level Shifter 회로이다.
Single MOSFET Level Shifter
IC-based Level Shifter
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간단한 레벨시프터.
우연히 트랜지스터 내용을 보다가 FET를 이용한 레벨시트터를 발견.
http://www.hobbytronics.co.uk/mosfet-voltage-level-converter
Low level의 신호가 0이면 Q5가 ON이 되어서 High쪽 신호가 0이 되고,
Low level의 신호가 1이면 Q5가 OFF가 되어서 High쪽 신호가 1이 된다.
High level의 신호가 1이면 Q5는 기생 다이오드에 전류가 흐르지 않아서 Low쪽 신호가 1이 되고,
High level의 신호가 0이면 Q5는 기생 다이오드에 0.7v 전압이 인가되어 Q5를 ON 상태로 만들고 Low쪽 신호가 0이 된다.
3.3v <-> 5v 신호 레벨 시프터를 만드는데 좋은 방법으로 ESP8266이나 ESP32등의 신호 입출력을 보다 수월하게 만들 수 있다.
800kHz 의 클럭 속도에 맞을려면 5v쪽의 저항은 1k정도가 되어야 한다. 대충 2.2k 정도면 대체적으로 필요한 빠른 스위칭 속도를 만들 수 있다.
A Kind of Magic :: level shifter??
각종 전자회로를 접하다 보면 level shifter란 놈을 자주 만나게 되는데요…
대표적으로 GSM PHONE의 SIM level shifter가 되겠구요.
기타 등등 전압을 변경 시켜주거나, 혹은 Data전송을 일정 시간 지연시킨다 던가…
헌데, 전 level shifter의 개념을 정확히 이해 하지 못하겠네요.
고수님들 부디 쉽게 차근차근 설명 좀 부탁드려요~
전자회로에서 사용되는 레벨시프터는 어떤것이며,
사용 목적은 무었이고,
동작원리는 또 어떤지…..부탁드립니다….
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LEVEL SHIFT란 어떤 신호에 +또는 -전압을 더해줘 신호 LEVEL을 올려주거나 내려줄때 사용하는 회로입니다. 가령 LOGIC에서 TTL이나 CMOS 는 0~5V를 사용하고 0V가 0이고, 5V가 1인 상태입니다. 하지만 고속으로 동작하는 ECL의 경우는 0~-5.2V를 사용합니다. 이때는 0이 1이고 -5.2V가 0이 되죠. 이두가지 LOGIC을 서로 연결할때 0~5V 전압을 -5.2V~0으로 바뀌어 줘야 하는데 이때 사용되는 회로가 LEVLESHIFT 입니다. 일반적인 방법으로 제너다이오드등을 이용하는데 물론 항상 그런것은 아니고, 전용 IC를 사용할때만 많습니다. 참고하세요.
키워드에 대한 정보 level shifter 동작 원리
다음은 Bing에서 level shifter 동작 원리 주제에 대한 검색 결과입니다. 필요한 경우 더 읽을 수 있습니다.
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사람들이 주제에 대해 자주 검색하는 키워드 다양한 Level Shifter 설계로 알아보는 회로 설계 및 개발 과정 (Docceptor 디지털집적회로설계 11-2)
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