帰らざるMOS回路(18) N-MOSトランスファゲートでレベル変換

JosephHalfmoon
JosephHalfmoon

古代N-MOSのダイナミックな回路の準備じゃ、ということで前回、2相ノンオーバラップクロック回路を作りました。もひとつ準備として、N-MOSトランスファゲートの実験をやっておこうと思うのです。が、題材として素朴すぎる?とおもったら、まさに、そのものズバリの「応用製品」がありました。秋月電子の双方向ロジックレベルの変換モジュールです。

まず、注釈を。Wikiなど調べると

MOS Transmission gate

という名前で登場してくる回路構造がありますが、それとは違います。そこで説明されているのは、N-MOSとP-MOSのトランジスタをまさに相補的に使った「スイッチ」です。このスイッチには非常に良い特性があり、オンの時には双方向に電流を流せるのです。そのとき変に電圧がドロップするようなことはありません。ところが、今回、ダイナミック回路で使用しようというのは、N-MOSトランジスタ1個をハイもロウも通過させるスイッチとして使用する回路です。古代回路で使用しようとしている回路では信号は基本一方通行で、双方向ではないのですが、これもまた物理的には双方向のスイッチと見なせます。しかし、このスイッチには良からぬ性質があります。ロウは通るのだけれど、ハイが電源まで振れない、ドロップしてしまいます。半導体としての物理現象なのでいたしかたありません。

しかし、その性質を逆手にとり、電圧レベルの異なる信号を双方向で通過させるためのレベルコンバータとして利用される場合があります。

秋月通商の4ビット双方向ロジックレベル変換モジュール

は、まさにそういう部品キットであります。その上、使用しているMOSトランジスタは本シリーズで利用しているBSS138です。アイキャッチ画像に掲げたのは、型番AE-LCNV4-MOSFETの写真。使うときに端子名が読めた方が使いやすいので、ピンを下向きに取り付けたのですが、そうするとBSS138はみえません。裏面を撮影したのが、こちら。

4個ならんでいるSOT23パッケージが御馴染みのBSS138であります。秋月電子の上記のページに行けば取説ダウンロードでき、その中に回路図もありますが、基板見ればわかるシンプルな回路。これで、例えば5Vの信号と3.3Vの信号を双方向に変換できるわけです。

一応、LTspiceで回路図描いて、シミュレーションしてみました。M1とR1, R2が、この基板に搭載されている部分、下側のM2, M3は両側に信号を入れるための「オープンドレイン」のドライバと見なしてくだされ。例えばI2Cバスの信号のような。BSS138で高電圧側は20VまでOKのようです。ここでは、実用で一番ありそうな、高電圧側電源5V、低電圧側電源3.3V設定です。

シミュレーションを走らせた結果が下です。かなり信号が混み合っていますが、

  • 明るい緑が低電圧側の駆動信号LSIG。左の目盛りで3.3Vまで振れています。
  • 濃い青が功電圧側の駆動信号HSIG。左の目盛りで5.0Vまで振れています。

これに対して実際に双方向で伝達されるべき信号は、

  • トランジスタM1の低電圧側(左)が赤(3.3Vまで振れる)
  • トランジスタM1の高電圧側(右)が薄い青(5Vまで振れる)

です。

その時、M1に流れる電流を見ているのがピンクで、右の目盛りです。黄緑の入力が立ち上がっているけれど、まだ青がLOWの期間は、ピンクは500μA付近まで振れており、高電圧側から低電圧側に電流が流れています。次に黄緑が3.3Vのまま、青が5Vに立ち上がってくると、理想的には0の筈ですが、完全には0にならず微妙に数十μAくらい流れつづけているようです。黄緑が経ち下がって青だけになると、今度は逆方向に低電圧側から高電圧側に320μAほど流れます。そして青が0Vになって両方がインアクティブとなると電流は0となっています。

シミュレーションでは、双方向に信号が伝わっていることが分かりました。

折角、本物があるので例によってブレッドボードでも実験。今回使用するのはDigilent社、Analog Discovery2であります。Analog Discovery2はプログラマブルな電源出力が2本あるのでOPAMP実験などでは重宝するのですが、GND中心に+電源とー電源となっています。5Vと3.3Vの2つを同時にとれません。そこで、Analog Discovery2からは5Vのみ供給し、外付けのレギュレータで3.3VつくってLV側電源といたしました。東芝 TA48033S使用。

AE-LCNV4-MOSFETのIO端子には例によってBSS138を搭載した変換基板の出力を接続。Analog Discovery2と接続したところがこちら。シンプルと言いながら配線がちっと混み合っている。

そして、LTspiceの入力信号にあたる信号はAnalog Discovery2のプログラマブルなパターンジェネレータ2CHのそれぞれで下のような定義で発生させます。下が3.3V, 上が5Vの信号。

オシロは2チャンネルなので、シミュレーションとは違い、高電圧側の信号黄色、低電圧側の信号青のみ。

それぞれの電圧で、ちゃんと信号は伝わっており。

準備はOKか?

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