ในระบบดิจิทัล ชิ้นส่วนที่แยกจากกันมักทำงานโดยใช้แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟที่แตกต่างกัน ในวงจรจริง ปัญหาอาจเกิดขึ้นได้หากระบบเหล่านี้เชื่อมต่อโดยตรงโดยไม่มีวงจรเฉพาะ เช่น ตัวเลื่อนระดับ

ลองพิจารณาตัวอย่างนี้: เมื่อเชื่อมต่อโมดูล ESP8266 ซึ่งทำงานที่ 3.3V กับบอร์ด Arduino UNO ที่มีระดับลอจิก 5V จะต้องใช้ตัวเลื่อนระดับ ตัวเลื่อนระดับนี้ช่วยให้แปลสัญญาณจาก 5V เป็น 3.3V และในทางกลับกันได้ หากไม่ทำเช่นนั้น อาจทำให้ซิลิกอน ESP เสียหายหรือทำให้ Arduino UNO อ่านค่าไม่ถูกต้องเนื่องจากระดับแรงดันไฟฟ้าไม่เข้ากันระหว่างอุปกรณ์ทั้งสอง

แผนผังและการออกแบบวงจรเลื่อนระดับ

ตัวเลื่อนระดับสามารถสร้างได้โดยใช้เทคนิคต่างๆ ตามที่กล่าวไว้ในแผนผังวงจรด้านล่าง โครงสร้างวงจรแต่ละแบบมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง

ตัวเลื่อนระดับโดยใช้ตัวแบ่งตัวต้านทาน

รูปที่ 1: ตัวแบ่งตัวต้านทานแบบเลื่อนระดับ

ข้อดีของตัวแบ่งตัวต้านทานการเลื่อนระดับ:

1. การออกแบบที่เรียบง่ายและใช้งานง่าย
2. ต้นทุนต่ำ

ข้อเสียของตัวแบ่งตัวต้านทานการเลื่อนระดับ:

1. สามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าสูงเป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำได้เท่านั้น
2. การกระจายกระแสไฟสถิตย์เทียบกับการแลกเปลี่ยนความเร็ว

ตัวเลื่อนระดับ MOSFET (ตัวเลื่อนระดับแบบสองทิศทาง)

รูปที่ 2: ตัวเลื่อนระดับแบบ MOSFET (ทิศทางสองทาง)

เป็นผลดี :

1. การออกแบบมีความเรียบง่ายกว่าวงจรดึงขึ้นแบบแอ็คทีฟ (รูปที่ 3)
2. ต้นทุนต่ำเนื่องจากมีส่วนประกอบน้อยกว่า

ข้อเสีย :

1. การดึงขึ้นไม่ทำงาน ซึ่งหมายความว่าเวลาในการยกอาจช้า อย่างไรก็ตาม นี่เพียงพอสำหรับการใช้งานหลายๆ อย่าง
2. ต้องใช้พินไดรฟ์เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะดึง R1 และ R2 ลงกราวด์

ตัวเลื่อนระดับใน VLSI (ตัวเลื่อนระดับแบบดึงขึ้นแบบแอ็คทีฟ)

รูปที่ 3: ตัวเลื่อนระดับแบบ CMOS ที่ใช้ในวงจรรวมที่มีการดึงขึ้นแบบแอ็คทีฟ

วงจรนี้ได้รับความนิยมมากในการออกแบบวงจรรวม ข้อดีของวงจรมีดังนี้:

1. ไม่มีไฟฟ้าสถิตย์ (หมายถึง ไม่มีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าสถิตย์)
2. ความเร็วสูงเพราะมีการดึงขึ้นแบบแอ็คทีฟ (โดยใช้อุปกรณ์ PMOS ที่จับคู่กันแบบครอสคัปเปิล) การใช้งานในรูปที่ 2 มีการดึงขึ้นแบบพาสซีฟ (โดยใช้ R2)
3. ต้องใช้กระแสไฟเข้าเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าโหนด Vin ที่ควบคุมพินในวงจรที่แสดงในรูปที่ 3 ไม่จำเป็นต้องขับกระแสไฟสูงได้ เนื่องจาก Vin มีเกต MOSFET เป็นอินพุต

ข้อเสีย :

1. เป็นวงจรแบบทิศทางเดียว ซึ่งหมายความว่าวงจรเดียวกันไม่สามารถเลื่อนระดับจากแรงดันไฟฟ้าสูงไปยังแรงดันไฟฟ้าต่ำได้ จำเป็นต้องมีวงจรแยก (แต่เหมือนกัน) โดยสลับด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำและสูง ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับบัส I2C
2. จำเป็นต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติมในการสร้าง

หลักการทำงานของตัวเลื่อนระดับแบบสองทาง

รูปที่ 2: ตัวเลื่อนระดับแบบ MOSFET (ทิศทางสองทาง)

1. แปลงแรงดันไฟต่ำ (3.3V) เป็นแรงดันไฟสูง (5V)

เมื่อพิน LV ถูกระบุว่าเป็นค่าสูง (3.3V) ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่าง R1 จะเป็น 0 และ VGS ของ MOSFET จะเป็น 0 ดังนั้นจึงไม่มีกระแสไหลผ่าน MOSFET นั่นคือไม่มีกระแสไหลผ่านตัวต้านทาน R2 ดังนั้น แรงดันไฟขาออกจึงสูง (5V)

เมื่อพิน LV ถูกระบุว่าเป็นระดับต่ำ (0V) ความต่างของแรงดันไฟฟ้าข้าม R1 คือ 3.3V ซึ่งหมายความว่า VGS = 3.3V เมื่อ VGS = 3.3V ตัวต้านทานออนเดรน RDS(on) คือ ~1.5Ω (BSS138) ดังนั้นพินเอาต์พุตจึงสร้างตัวแบ่งตัวต้านทานและแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะใกล้เคียงกับ 5(1.5/10000) ~ 0.75mV

2. แปลงแรงดันไฟฟ้าสูง (5V) เป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำ (3.3V)

ขั้วต่อตัวเครื่องเชื่อมต่อภายในกับด้านแรงดันไฟต่ำ ดังนั้นด้านแรงดันไฟจึงเป็นขั้วต่อแหล่งจ่ายของ MOSFET ขณะนี้กลไกการเปิด MOSFET ขึ้นอยู่กับสถานะของไดโอดตัวเครื่องและ VGS เมื่อพิน HV ถูกระบุว่าเป็นแรงดันต่ำ (0V) ไดโอดตัวเครื่องจะถูกเปิด นั่นเป็นเพราะขั้วบวกมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าขั้วลบ ขั้วบวกจะถูกดึงลงเช่นกันเนื่องจากพิน HV ถูกระบุว่าเป็นแรงดันต่ำ ทำให้เกิด VGS ที่จำเป็นในการเปิด MOSFET ซึ่งจะลด RDS(on) (ลง ~2Ω) และพิน LV จะถูกดึงลงต่ำ

เมื่อพิน HV ถูกระบุว่าเป็นค่าสูง ไดโอดของตัวเครื่องจะไบอัสแบบย้อนกลับ ตอนนี้ ไม่มีอะไรดึงพิน LV ลง ดังนั้นจึงไม่มีการสร้าง VGS และ MOSFET จะถูกปิด ดังนั้นพิน LV จึงถูกดึงให้สูงขึ้นโดยใช้ตัวต้านทาน 10kΩ

ตัวอย่างการทำงานของตัวเลื่อนระดับแบบสองทาง

ตัวอย่างการใช้งานวงจรเลื่อนระดับบางส่วนแสดงด้านล่างนี้:

เครื่องแปลงระดับ 3.3V ถึง 5.0V

รูปที่ 4: วงจรเปลี่ยนระดับ 3.3V และ 5V

เครื่องแปลงระดับ 5.0V ถึง 3.3V

ในวงจรด้านบน MOSFET อาจเป็น BSS138 หรือ 2N7002/2N7000 วงจรเลื่อนระดับเหล่านี้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อเอาต์พุตของ Arduino UNO หรือพินเอาต์พุต 5V ใดๆ กับอุปกรณ์ 3.3V เช่น Raspberry Pi, STM32, ESP8266, ESP32, Nokia 5110 LCD เป็นต้น

เครื่องแปลงไฟระดับ 5.0V ถึง 12V

เหมือนกับรูปที่ 4 เป๊ะๆ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าคือ 5V และแรงดันไฟฟ้าขาออกคือ 12V วงจรเดียวกันนี้สามารถใช้เพื่อแปลงสัญญาณ 12V เป็นสัญญาณ 5V

บอร์ดเลื่อนระดับและวงจรรวม (IC)

มีบอร์ด PCB พร้อมใช้งานที่มี MOSFET และตัวต้านทานที่มีตัวเลื่อนระดับทิศทางสองทางแบบบูรณาการ

นอกจากนี้ยังมี IC (เช่น TXS0108E) ที่มีความสามารถในการทำงานแบบสองทิศทางคล้ายกับบอร์ดที่กล่าวถึงข้างต้น อย่างไรก็ตาม IC สามารถให้ความเร็วที่สูงกว่าในระหว่างการดึงขึ้นได้เนื่องจากมีการดึงขึ้นแบบแอ็คทีฟ