前回は双方向といっても外部から方向を指定して切り替える方式でした。今回は、方向など指定しなくても大丈夫な方式です。NMOSのFETのゲート電圧に3.3Vを与えたら、通したくても５Vの信号など通らない件を応用？オープンドレインの信号ならば出力信号のバッティングなど考えずに接続できると。簡単。
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今回の実験回路
以下の回路の青点線内が「レベル変換回路」です。MOS-FET「スイッチ」のゲートに3.3V電源を与えてます。その右側は５Vの世界、左側は3.3Vの世界。NMOSトランジスタのゲート電圧3.3V以上の右側の電圧は、左の世界には入り込めませぬ。しかし、０V付近、論理レベルがロウの信号は、右から左へでも左から右へでもツーツーっと。
よって双方の信号それぞれをそれぞれの電圧にプルアップし、オープンドレインのドライバで駆動してやれば信号レベルの変換はOKっと。
実機実験のブレッドボード回路が以下に。MOSFETにはいつもお世話になっております BSS138 を起用(何気に大量に在庫があるのよ。）
オープンドレインの端子に適合する方法なので、まず考えつくのが
I2Cバス
のレベル変換への活用です。プッシュプルの端子の場合、3.3V系の端子に５Ｖがかかることは無いにせよ、何も制御しないでハイとローがぶつかるととてもな電流が流れる上に何だか分け分からなくなります。出力通しがブツカルような事態が勃発するように、外側で制御するか、いっそ単方向に縛ってしまえば利用は可能かと思います。
実機実験
実機実験は、電源電圧5Ｖ側のオープンドレインのドライバ、電源電圧3.3V側のドライバそれぞれに 1kHzの矩形波パルスを与えて行いました。５Ｖ側は、0Vから4.5V、３．３Ｖ側は０Ｖから3.3Vの電圧波形です。同期させて駆動しているので、見かけ上は１ｋＨｚ内に以下の４パターンある動作をするはず。想定する動作パターンは以下のとおりです。
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- 両側ＯＮ、信号レベルはロー
- ５ＶＯＮ、３．３ＶＯＦＦ、５Ｖ側のドライバのローが３．３Ｖ側にも伝播
- ５ＶＯＦＦ、３．３ＶＯＦＦ、両方ＯＦＦなのでプルアップ抵抗により、5Ｖ側は５Ｖ、３．３Ｖ側は３．３Ｖとなる
- ５ＶＯＦＦ、３．３ＶＯＮ、３．３Ｖ側のドライバのローが５Ｖ側にも伝播
実験結果
上記設定の実験結果が以下に。黄色Ｃ１が５Ｖ側、青色Ｃ２が３．３Ｖ側。1kHz周期の250μs期間毎（両側ドライバＯＦＦの状態）に約5Ｖと3.3Vのハイが見えており、他はロウです。基本動作は確かめられたかな？
１kHzでの実験は予定どおりですが、弱点を突いてみたのがこちら。周波数を100kHzと100倍にしてみました。
今回の実験回路のプルアップ抵抗は10kΩとかなり大きいので、トランジスタ（オン抵抗は数Ω以下）と比べるとゆるゆるとしか上がりませぬ。結果100kHzではこんな感じになってしまいました。
当然、プルアップ抵抗の値を小さくすればもっと高速化はできますが、ドライバが引かねばならない電流は大きくなるはず。またディスクリートのトランジスタほどオン抵抗の小さくないマイコン端子などで引く場合には、抵抗比で決まってくるVOLの値も上昇すると思われます。簡単で使い易いのだけれども、電気特性は考えて使えよな、という感じ？知らんけど。
秋月通商殿のモジュール
上記のように単体のMOSFETは小さすぎてブレッドボード上で使えないのでDIP化基板使ってます。しかし、例によって秋月殿を漁るとMOSFET使ったレベル変換モジュールが売られています。
４ビット双方向ロジックレベル変換モジュール ＢＳＳ１３８使用
現物写真が以下に。端子名書いてあるのでとっても分かり易いデス。
裏返すと、BSS138とプルアップ抵抗が並んでます。
簡単回路でお手軽だけれども何でもOKともいかないです。次回はも少し「カッコイイ」奴。