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LTspiceでレベル変換回路をシミュレーション

 LTspiceが面白くてあれこれいじってみてます。

 そんな時に、いつも参考にさせていただいているエアーバリアブルさんのブログに、FETを使った3.5/5Vレベル変換回路が掲載されました。その回路図、一見しただけでは動作がよく判らないので早速LTspiceにかけてみました。

▼回路図(エアーバリアブルさんの記事から転記しています)
回路図
 こんなふうにFETが横になっている回路は苦手なんです。

 上側の回路は3.3Vから5Vへの変換で信号は左向きに通過。下側は5Vから3.3Vの変換回路で信号は右から左に流れます。シミュレーションの手間を省くために5Vの信号源(V3)の出力を分圧して3.3Vの信号を作っています。C1とC2は元の回路図にはありませんが、ちょっと負荷をかけたかったので入れてみました。

 まずは上側の3.3V→5V変換回路の特性。

▼直流特性
3.3 to 5V slow
 緑が入力、紫色が3Vの出力。ゆっくりと入力電圧を変化させて出力電圧を見ています。

 入力が1.7VくらいまではFETが導通していて入力がそのまま出力に出ているようです。それ以上ではFETがOFFになって10kΩのプルアップが利いて5Vまで出力電圧が上昇するという仕掛けのようです。

▼高速特性
3.3 to 5V fast
 2.7Vあたりまではすっと電圧が上がり、その後はプルアップ抵抗の時定数で電圧が上がっていってます。この回路はシリアル通信用なのでこの程度の立ち上がり速度でも大丈夫ということなんでしょう。なお、立下りは高速です。ちなみに入力波形の立ち上がりは10nsでやっています。

 次は下側の5V→3.3V変換回路。

▼直流特性
5 to 3.3V slow
 同じく緑が入力、紫が出力です。

 入力電圧1.7Vくらいまでは入力がそのまま、以降は何が起きているのかうまく説明できませんが(汗;)、最終的にはトランジスタがOFFになって3.3Vにプルアップされた状態になるみたいです。

▼高速特性
5 to 3.3 fast
 なかなかうまくいってます。

 いやー、実際に作らないでも回路の動作状態を詳しく検討できるSpiceってすごいです。

 ちなみにシミュレーションに使った2N7002は、LTspiceに最初から入っていて、フェアチャイルドの石としてライブラリに登録されていました。流石に有名な石です。
 なお、我らが2SC1815は入っていなかった(涙;)ので速攻でライブラリに追加しました。
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ダイオードのVF

5V→3.3V変換回路の直流特性について、「以降は何が起きているのかうまく説明できません」と書いておられますが、入力が1.7~2.7Vの領域では、MOSFETがOFFになっており、D-S間のダイオードが導通している状態になります。ダイオードが導通する場合、0.7V程度の順方向電圧降下(VF)があり、その分3.3v_rxd側が5V_txd側より高くなっています。

re:ダイオードのVF

しなぷすさん、おはようございます、コメントありがとうございます。

明快な解説ありがとうございます。なるほど、ボディダイオードの存在を忘れていました。

あと、そちらのWeb拝見しました、いろいろやられてますね。ちょくちょく訪問させていただきます。
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