Trong các hệ thống kỹ thuật số, các phần riêng biệt thường hoạt động bằng cách sử dụng các điện áp cung cấp điện khác nhau. Trong các mạch thực, có thể xảy ra sự cố nếu các hệ thống này được kết nối trực tiếp mà không có các mạch chuyên dụng như bộ dịch mức.

Hãy xem xét ví dụ này: Khi kết nối một mô-đun ESP8266, hoạt động ở mức 3,3V, với Arduino UNO, một bo mạch có mức logic 5V, thì cần phải sử dụng bộ dịch mức. Bộ dịch mức này tạo điều kiện thuận lợi cho việc dịch tín hiệu từ 5V sang 3,3V và ngược lại. Nếu không làm như vậy, có nguy cơ làm hỏng silicon của ESP hoặc Arduino UNO đọc không chính xác do mức điện áp không tương thích giữa hai thiết bị.

Sơ đồ mạch chuyển mức và thiết kế

Bộ dịch chuyển mức có thể được tạo ra bằng các kỹ thuật khác nhau như được đề cập trong sơ đồ mạch bên dưới. Mỗi cấu trúc mạch có ưu điểm và nhược điểm riêng.

Bộ dịch chuyển mức sử dụng bộ chia điện trở

Hình 1: Bộ chia điện trở dựa trên bộ dịch chuyển mức

Ưu điểm của bộ chia điện trở dịch chuyển mức:

1. Thiết kế đơn giản và dễ sử dụng
2. Chi phí thấp

Nhược điểm của bộ chia điện trở dịch chuyển mức:

1. Chỉ có khả năng chuyển đổi từ điện áp cao sang điện áp thấp
2. Sự tiêu tán dòng điện tĩnh so với sự đánh đổi tốc độ

Bộ dịch chuyển mức sử dụng MOSFET (bộ dịch chuyển mức hai chiều)

Hình 2: Bộ dịch chuyển mức dựa trên MOSFET (hai chiều)

Thuận lợi :

1. Thiết kế đơn giản hơn mạch kéo lên chủ động (Hình 3).
2. Chi phí thấp do số lượng linh kiện ít hơn.

Nhược điểm:

1. Pull-up không hoạt động. Điều này có nghĩa là thời gian tăng có thể chậm. Tuy nhiên, đủ cho nhiều ứng dụng.
2. Yêu cầu chốt dẫn động cung cấp đủ dòng điện để kéo R1 và R2 xuống đất.

Bộ dịch chuyển mức trong VLSI (bộ dịch chuyển mức kéo lên chủ động)

Hình 3: Bộ dịch chuyển mức dựa trên CMOS được sử dụng trong mạch tích hợp có tính năng kéo lên chủ động

Mạch này rất phổ biến trong thiết kế mạch tích hợp. Ưu điểm của mạch là:

1. Không có dòng điện tĩnh (có nghĩa là không mất điện tĩnh).
2. Tốc độ cao vì nó có pull-up chủ động (sử dụng các thiết bị PMOS ghép chéo). Triển khai trong Hình 2 có pull-up thụ động (sử dụng R2).
3. Yêu cầu dòng điện đầu vào bằng không. Điều này có nghĩa là nút Vin điều khiển chân trong mạch được đề cập trong Hình 3 không cần có khả năng điều khiển dòng điện cao. Điều này là do Vin có cổng MOSFET làm đầu vào.

Nhược điểm:

1. Nó là một chiều. Điều này có nghĩa là cùng một mạch không thể chuyển mức từ điện áp cao sang điện áp thấp. Cần một mạch riêng (nhưng giống hệt nhau) với các mặt điện áp thấp và điện áp cao được hoán đổi. Vì vậy, không phù hợp với bus I2C.
2. Cần nhiều thành phần hơn để xây dựng.

Nguyên lý hoạt động của bộ dịch chuyển mức hai chiều

Hình 2: Bộ dịch chuyển mức dựa trên MOSFET (hai chiều)

1. Chuyển đổi điện áp thấp (3,3V) sang điện áp cao (5V)

Khi chân LV được khẳng định ở mức cao (3,3V), chênh lệch điện áp trên R1 là 0 và VGS của MOSFET là 0. Vì vậy, không có dòng điện nào chạy qua MOSFET. Nghĩa là không có dòng điện nào chạy qua điện trở R2. Do đó, điện áp đầu ra là Cao (5V).

Khi chân LV được xác nhận ở mức thấp (0V), chênh lệch điện áp trên R1 là 3,3V nghĩa là VGS = 3,3V. Ở VGS = 3,3V, điện trở on-drain RDS(on) là ~1,5Ω (BSS138). Vì vậy, chân ra tạo thành một bộ chia điện trở và điện áp ra gần 5(1,5/10000) ~ 0,75mV.

2. Chuyển đổi điện áp cao (5V) sang điện áp thấp (3,3V)

Đầu cực thân được kết nối bên trong với phía điện áp thấp nên phía điện áp là đầu cực nguồn của MOSFET. Bây giờ cơ chế bật MOSFET phụ thuộc vào trạng thái của diode thân và VGS. Khi chân HV được khẳng định ở mức thấp (0V), diode thân được bật. Điều này là do cực anode có điện thế cao hơn cực catốt. Cực anode cũng bị kéo xuống do chân HV được khẳng định ở mức thấp. Điều này tạo ra VGS cần thiết để bật MOSFET. Điều này làm giảm RDS(on) (gần ~ 2Ω) và chân LV được kéo xuống mức thấp.

Khi chân HV được khẳng định ở mức cao, diode thân được phân cực ngược. Bây giờ, không có gì kéo chân LV xuống nên không có VGS nào được tạo ra và MOSFET bị tắt. Vì vậy, chân LV được kéo lên mức cao bằng cách sử dụng điện trở 10kΩ

Ví dụ về cách hoạt động của bộ dịch chuyển mức hai chiều

Một số ví dụ về việc sử dụng mạch dịch chuyển mức được hiển thị bên dưới:

Bộ chuyển đổi mức 3.3V đến 5.0V

Hình 4: Mạch dịch chuyển mức 3,3V và 5V.

Bộ chuyển đổi mức 5.0V sang 3.3V

Trong mạch trên, MOSFET có thể là BSS138 hoặc 2N7002/2N7000. Các mạch dịch chuyển mức này thích hợp để kết nối đầu ra của Arduino UNO hoặc bất kỳ chân đầu ra 5V nào với các thiết bị 3,3V như Raspberry Pi, STM32, ESP8266, ESP32, Nokia 5110 LCD, v.v.

Bộ chuyển đổi mức 5.0V sang 12V

Giống hệt như Hình 4. Điện áp đầu vào là 5V và điện áp đầu ra là 12V. Có thể sử dụng cùng một mạch để chuyển đổi tín hiệu 12V thành tín hiệu 5V.

Bo mạch dịch chuyển mức và mạch tích hợp (IC)

Có các bo mạch PCB sẵn sàng sử dụng với MOSFET và điện trở được tích hợp bộ dịch chuyển mức hai chiều.

Ngoài ra, còn có các IC (ví dụ: TXS0108E) có khả năng song hướng tương tự như bo mạch được đề cập ở trên. Tuy nhiên, mạch tích hợp có thể cung cấp tốc độ cao hơn trong quá trình kéo lên vì nó có khả năng kéo lên chủ động.

‍