50 MHz Taktverschiebung von 5 V auf 3,3 V und bidirektional, möglich?

Ich versuche, eine Schaltung zu entwerfen, um eine 50-MHz-Taktquelle von 5 V auf 3,3 V umzuwandeln. Zuerst dachte ich daran, den im folgenden Link gezeigten Level-Übersetzer von Sparkfun zu verwenden:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/bi-directional-logic-level-converter-hookup-guide

Allerdings hat der dort verwendete NMOS BSS138 Verzögerungs- und Anstiegszeiten, die für das 50-MHz-Taktsignal ungeeignet sind. Er hat eine Verzögerungszeit von 2,5 ns und eine Anstiegszeit von 9 ns beim Einschalten. Ebenso hat es eine Verzögerung von 20 ns und eine Abfallzeit von 7 ns beim Ausschalten.

Ich habe versucht, nach Lösungen zu suchen, die dem Konverter ähneln, aber die meisten scheinen nicht für MHz-Signale geeignet zu sein. Einige Lösungen zeigen die Verwendung von ICs wie dem SN74LVC8T245, aber seine Richtung hängt vom Eingang zum Richtungsstift ab, und die Anstiegszeiten scheinen angesichts des Taktsignals ungeeignet zu sein. Andere Lösungen wie ein Widerstandsteiler scheinen für niedrigere Frequenzen zu funktionieren, aber ich möchte die Signalintegrität sicherstellen, da dies ein Taktsignal ist. Die Verwendung eines schnelleren NMOS wäre ideal und simpel, und ich kann die Sparkfun-Schaltung für mehrere Leitungen replizieren, aber welche anderen Lösungen wären für dieses schnelle Taktsignal optimal?

EDIT: Da es einige Diskussionen über die Notwendigkeit der Bidirektionalität gegeben hat, wollte ich hier ein wenig erklären. Anfangs dachten wir, dass wir mit dem Level-Übersetzer gehen könnten. Ein Kanal wäre verfügbar, um den Takt von 5 auf 3,3 V zu verschieben, und die verbleibenden Kanäle würden nach Bedarf für andere Zwecke verwendet. Aber aufgrund der Spezifikationen des BSS138 schien es für unseren 50-MHz-Takt nicht zuverlässig zu sein. Nach einigen Diskussionen ist Bidirektionalität nicht länger erforderlich, zumindest nicht für das Taktsignal, also konzentrieren wir uns vorerst nur darauf, den Takt nach unten zu verschieben. Es tut mir wirklich leid, dass ich die Bi-Richtung erwähnt habe. Vergessen wir es jetzt einfach. Wir planen, dass das Taktsignal heruntergestuft wird, und dann sollte es in ein anderes Modul gehen, das 3,3 V als Eingang akzeptiert. Ich kenne die Lastkapazität oder Impedanz des Moduls nicht,

BEARBEITEN: Nachdem ich die bidirektionale Funktionalität ignoriert habe, glaube ich, dass ich möglicherweise eine mögliche Lösung gefunden habe: einen Puffer zu verwenden, um ihn von 5 V auf 3,3 V zu verringern, während die Signalintegrität erhalten bleibt. Ich habe einige Puffer gefunden, die von TI zu funktionieren scheinen, den SN74LV1T34 und den SN74LV1T126.

http://www.ti.com/product/SN74LV1T34/description

http://www.ti.com/product/SN74LV1T126/description

Ich importierte das Modell des SN74LV1T126 in LTspice und führte eine Simulation durch, indem ich es an 3,3 V und eine 5-Volt-Taktquelle mit 50 MHz anschloss und die Ausgangsspannung mit und ohne Last zeigte. Am liebsten hätte ich das SN74LV1T34 getestet, aber es gibt keine SPICE-Modelle dafür, also arbeite ich nur mit dem SN74LV1T126. Das Bild ist unten gezeigt:

Logiklevel-Sim 1

Hier zeige ich nur einen Taktzyklus, damit ich die Anstiegs- und Abfallzeiten messen kann, um zu sehen, ob sie angesichts des Takteingangs innerhalb akzeptabler Toleranzen liegen. Der Simulation nach zu urteilen, scheint es gut zu funktionieren, aber unter Last erreicht es nicht 3,3 V, sondern fällt auf 1,8 V ab. Da dies an ein Modul angeschlossen wird, wird es unter sein Last, kann ich also irgendetwas tun, um sicherzustellen, dass es die richtige Spannung erreicht?

Wenn Sie eine "Taktquelle" haben, warum muss Ihre Pegelverschiebungsschaltung "bidirektional" sein?
Ich würde es gerne zukunftssicher machen, nur für den Fall, dass wir, wenn möglich, von 3,3 auf 5 V in die entgegengesetzte Richtung gehen müssen. Wenn nicht, dann werde ich einfach akzeptieren, dass wir nur in eine Richtung gehen können und weitermachen.
Vielleicht folge ich Ihrem zukunftssicheren Konzept nicht, weil ich nicht weiß, was das Projekt beinhaltet und so, aber wenn Sie sich Sorgen machen, es wieder bei 5 V zu brauchen, dann könnten Sie es einfach direkt von der Quelle nehmen ...
Was ist Ihre Lastkapazität? Was ist Ihre Übertragungsleitungsimpedanz? Bedenken Sie, dass die 3,3-V-CMOS-Logik eine Ausgangsimpedanz von etwa 25 Ohm und die 5-V-Logik etwa 50 Ohm hat
@ user101402 das ist eine Art dumme Anforderung. Man ändert die Taktung später nicht aus einer Ahnung heraus. Das erfordert sowieso eine entsprechende Neugestaltung.
Was lässt Sie glauben, dass ein bidirektionaler 50-MHz-Pegelumsetzer überhaupt möglich ist? Der aktuelle Stand der Technik von Maxim in diesem Jahr ist (nicht 16), sondern 8 MHz und die I2C-Grenze liegt bei 3,2 MHz. Weißt du, warum es eine Grenze gibt?
Ich versuche zu verstehen, wo man bei einer so hohen Geschwindigkeit eine bidirektionale Uhr haben möchte. Vielleicht ein Multi-Master-SPI-Bus? Aber können Sie in diesem Fall nicht einen GPIO verwenden, um die Datenrichtung eines Ebenenübersetzers zu steuern?
Es tut mir wirklich leid, dass ich es bidirektional gemacht habe. Das war dumm, also versuche ich nur, es in eine Richtung zu verkleinern, und ignoriere die Notwendigkeit, dass es bidirektional ist. Wenn man das also ignoriert, sollte es definitiv möglich sein. Der PCA9306 scheint vielversprechend zu sein, aber ich kann kein Modell finden, das ich in LTspice verwenden könnte, um zu überprüfen, ob es funktioniert. @TonyStewart.EEsince'75 Sie haben erwähnt, dass es bei richtiger Auslegung bei höheren Frequenzen funktionieren würde. 50 MHz sind schnell, worauf muss man also achten, wenn man mit einem so schnellen Signal arbeitet?
Verwenden Sie kein birektionales, puffern Sie es und lesen Sie Bücher über High-Speed-Layout-Design, Stripline usw., meine ursprüngliche Antwort war richtig
Eine 50-Ohm-Last wäre ungewöhnlich, versuchen Sie Ihren Sim in etwas vernünftigerem.
@DanMills Danke für deinen Kommentar, aber warum sollte eine 50-Ohm-Last ungewöhnlich sein? Wenn die Eingangsimpedanz des Moduls, an das ich die Uhr sende, 50 Ohm beträgt, sollte ich es nicht so modellieren? Da Tony Stewart erwähnte, dass die CMOS-Logik eine Ausgangsimpedanz von 25 Ohm hat, versuche ich herauszufinden, an welche Art von Modul die Uhr gehen wird, um die Impedanz der Eingänge zu überprüfen, um eine ordnungsgemäße Modellierung sicherzustellen.
50 Ohm sind in HF-Anwendungen sehr verbreitet, nur nicht in Dingen, die direkt von CMOS angesteuert werden sollen. Die meisten Chip-Takteingänge, die so langsam laufen sollen wie nur 50 MHz, werden Standard-Spannungsmodus-CMOS oder möglicherweise LVDS oder PECL sein, die beide im Grunde Variationen von 100-Ohm-Differential sind. Der einzige Ort, an dem Sie 50 Ohm sehen, ist, wenn eine Koaxialleitung abgeschlossen werden soll, was eine andere Art von Anwendung als die Bordlogik ist.
@DanMills Nun, das Modul, an das ich die Uhr sende, ist ein PIXIE-NIM-Modul. xia.com/DGF_Pixie-16.html Seine Eingänge sind 50 Ohm, aber da dies ein Taktsignal ist, weiß ich nicht genau, wie der Takt in das Modul eingegeben wird. Ich gehe nur von den Spezifikationen aus.
Sieht so aus, als könnten Sie entweder einen Takteingang auf der Vorderseite konfigurieren, in diesem Fall sehen 50 Ohm an einem Koaxialkabel (SMA, wie es aussieht) richtig aus, oder über die Backplane würden Sie mehr Daten benötigen, als auf dieser Website angegeben sind Achten Sie darauf, was die geeignete Schnittstelle ist. Ich würde insbesondere erwarten, dass die 50-Ohm-Schnittstelle eher 0 dBm als mehrere Volt darüber benötigt (aber sie wird wahrscheinlich eine breite Palette von Antriebspegeln akzeptieren).
@DanMills Ich bin mir nicht sicher, wie mein Team eine Verbindung vom 3,3-V-Takt zum PIXIE-Modul herstellen wird. Ich gehe nur davon aus, dass es sich um einen der 50-Ohm-SMA-Anschlüsse handelt. Unter der Annahme, dass dies der Fall ist, scheint das Anlegen der 50-Ohm-Last an den Ausgang, wie in meinem Bild gezeigt, nicht wie erwartet den 3,3-V-Ausgang zu erzeugen. Ich muss nur mehr Nachforschungen über einen anderen Puffer anstellen, der funktionieren könnte.
@DanMills Wenn der Stecker für eine Impedanz von 50 Ohm ausgelegt ist, ist die Art und Weise, wie ich ihn im Schaltplan modelliere, korrekt? Ich bin mir nicht sicher, ob der Anschluss als Last angesehen werden kann. Wäre es also sinnvoll, einfach einen solchen Widerstand darauf zu setzen und ihn als Anschluss zu bezeichnen, oder ist das in Ordnung, da der Ausgang des SN74LV1T126 a sieht 50 Ohm Last, wenn Sie es nur auf seine Impedanz vereinfachen?
@DanMills Sorry, habe das mögliche Problem herausgefunden. Der SN74LV1T126 ist für 7 mA ausgelegt, und ich brauche mehr, um sicherzustellen, dass er unter einer Last von 50 Ohm 3,3 V beträgt, mindestens 66 mA.

Antworten (2)

Wenn Sie glauben, Sie können plötzlich von einer Geschwindigkeitsbegrenzung von 3,2 MHz für I2C-Geschwindigkeit 3 ​​auf 50 MHz springen, ohne Impedanzkontrolle an Treibern auf beiden Seiten, sorgfältige Abschirmung und kontrollierte T-Leitungsimpedanz mit einem niedrigen RdsOn-Open-Drain-Schalter, der in Coss, Ciss ansteigt da RdsOn reduziert wird.

RC-Zeitkonstanten der Leitungstreiberlast bestimmen die maximale Geschwindigkeit

  • wenn Sie nicht den Leitungen mit kontrollierter Impedanz folgen.

Hier ist der schnellste mit 16,8 MHz, den ich gefunden habe. (2017) mit Nch-FETs

https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14591.pdf

Aber in Schaltern der BJT-Serie kann man mit dem von @BruceAbbot vorgeschlagenen PCA3060 maximale Anstiegs- / Abfallzeiten von <3,3 ns in 300-Ohm-Lasten = 30 pF erhalten

Aber selbst dies funktioniert möglicherweise nicht auf I2C bei 50 MHz

Der PCA9306 hat eine Standard-Open-Collector-Konfiguration des I2C-Busses. Die Größe dieser Pullup-Widerstände hängt vom System ab, aber jede Seite des Übersetzers muss einen Pullup-Widerstand haben. Das Gerät wurde entwickelt, um zusätzlich zu SMBus-Geräten mit I2C-Bus-Geräten im Standard-Modus, Fast-Modus und Fast-Modus Plus zu arbeiten.

Die maximale Frequenz hängt von der RC-Zeitkonstante ab, unterstützt jedoch im Allgemeinen > 2 MHz

  • Die maximale Frequenz hängt jedoch vollständig von den Besonderheiten der Anwendung ab, und das Gerät kann mit > 33 MHz betrieben werden. Grundsätzlich verhält sich der PCA9306 wie ein Draht mit den zusätzlichen Eigenschaften der Transistorbauelementphysik und sollte in der Lage sein, bei korrekter Verwendung bei höheren Frequenzen zu arbeiten. Betrachten wir zuerst nicht-bidirektionale Takt- und Datenpuffer-Pegelumsetzer.

Dies ist ein Ansatz, bei dem Stripline = 50 Ohm und 25 Ohm 5 V Logik der 74LVC'- oder 74LVA'-Familie verwendet werden.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Dies ist alte Schule mit 74ACL und 74ACL2, funktioniert aber.

Jetzt gibt es so viele verschiedene Logikfamilien zu berücksichtigen, die KEINE Pegelumsetzer für unidirektionale Signale benötigen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung einREF

  1. http://focus.ti.com/pdfs/logic/lvabrochure.pdf
  2. http://www.ti.com/lit/sg/sdyu001ab/sdyu001ab.pdf
Wie ist das bidirektional?
WIE Ali sagte, warum muss eine Uhr bidirektional sein? Muss sie auch drei Zustände haben?
Ich schätze, er versucht, mit einem Open-Drain-Schalter I2C-Geschwindigkeitsrekorde zu brechen.
Nein, ich vermute, dass OP einen 5-V-Oszillator-5x3-Chip mit einem 3,3-V-Eingang an ein uP oder FPGA anschließen möchte.
Nun, dann wird eine Serienschaltung nicht gut funktionieren. Auch der PCA3060 verhält sich wie ein Draht mit >30MHz möglich. spec sagt, die zusätzlichen Eigenschaften der Physik von Transistorgeräten und sollte in der Lage sein, bei korrekter Verwendung bei höheren Frequenzen zu arbeiten.
Warum redest du von I2C? Was haben 3,2 MHz damit zu tun?
Es tut mir leid wegen der bidirektionalen Anforderung. Nach einigem Nachdenken versuche ich gerade, es in eine Richtung gehen zu lassen. Ich habe mir den PCA9306 angesehen, und es scheint, dass er aufgrund der schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten beim Schalten meinen Anforderungen entsprechen würde, also scheint er für ein 50-MHz-Signal zu funktionieren. Ich versuche jedoch, ein Modell davon zu finden, um es in LTspice zu testen, und das Modell von TI ist nur in HSPICE enthalten. Und was haben 3,2 MHz damit zu tun?
PCA9306 ist kein Puffer, lösche die fragliche Bidirektionalität, folge den Stripline-Impedanzkontrollbüchern, lies den Rest meiner Antwort noch einmal. Verstehen Sie Klingeln, Übertragungsleitungen und Layout-Design ist nicht trivial.
@TonyStewart.EEsince'75 Danke für deine Antwort. Wenn ich mehr über die physikalischen Einschränkungen meines Designs erfahre, werde ich sicher die von Ihnen erwähnten Themen nachschlagen, während ich mit meinem Design vorankomme. Alles, was ich im Moment weiß (sofern sich dies nicht plötzlich ändert), ist, dass dies in einen NIM-Modulrahmen eingebaut wird, sodass es Designbeschränkungen gibt. Mit etwas Glück kann der Puffer so nah wie möglich an den Ein- und Ausgängen platziert werden, um die Impedanz zu verringern, aber ab sofort sind weitere Informationen erforderlich. Zumindest werden die Puffer, auf die Sie sich bezogen haben, das Taktsignal definitiv auf die entsprechende Spannung heruntersetzen.
Die Logikfamilien in der Tabelle können direkt verwendet werden, verwenden jedoch Streifenleitungsspuren.
@TonyStewart.EEsince'75 Danke, das werde ich mir merken. Ich entschuldige mich dafür, dass ich so viele Fragen von Ihnen gestellt habe, aber Sie kennen nicht zufällig ein gutes Puffer-SPICE-Modell, oder? Es ist schwierig, ein Teil zu finden, das meinen Anforderungen entspricht und über ein SPICE-Modell verfügt, das ich simulieren kann.
Lesen Sie einfach die Spezifikationen der 74LVCxxx-Teile, wie ich vorgeschlagen habe, die 5Vin mit geringer Latenz akzeptieren, und wenn Sie nicht die Gleisimpedanz, die Last und die Streukapazität modellieren, sind Simulationen weniger nützlich
Danke für Ihren Vorschlag. Eine Sache, die mir bei der Recherche aufgefallen ist, waren Übertragungsleitungseffekte. Die Kabellänge beträgt 1,83 m (6 Fuß), sodass im schlimmsten Fall die Spannung am Eingang abfällt. Daher versuche ich auch zu recherchieren, wie ich mit Blick auf die TL entwerfen kann. Ich glaube nicht, dass es ausreicht, nur die (angenommene) 50-Ohm-Impedanz des Kabels anzupassen.
Wenn die Quelle nicht 50 Ohm wie 74LVCxxx-Teile bei 5 V ist, können Sie auch verstehen, dass 20 bis 30 pf / ft Band oder Twisted Pair die Anstiegszeit beeinflussen.

Nun, obwohl ich die Notwendigkeit von bidirektional (ausgerechnet für eine Uhr?) nicht verstehe, gibt es eine Komponente, die in die Rechnung zu passen scheint ...

Wir stellen den bescheidenen Transformator vor!

So etwas wie ein FT50-61 mit vielleicht 10 Windungen, die bei 6 abgegriffen und mit einer Kappe ein- und ausgekoppelt sind, Gleichstromwiederherstellung mit ein paar 220-Ohm-Widerständen, scheint die Rechnung zu erfüllen.

Sehr Standardkost im HF-Design, aber heutzutage möglicherweise nicht mehr so ​​​​oft auf einem Logic Board zu sehen!

Vielen Dank für Ihren Kommentar. Ich habe mich nur auf FETs und ICs konzentriert, die ich nie als Transformator betrachtet habe. Theoretisch würde ein Transformator funktionieren, aber ich würde nicht glauben, dass Sie einfach einen Transformator von 5 auf 3,3 herunterstufen könnten. Was müssten Sie einer Schaltung noch hinzufügen, um sie zuverlässig zu machen?
user101402 hat keine Ahnung von Impedanzkontrolle, unbeabsichtigter Strahlung für EMV und muss viel über Design aus Büchern lernen.
50 MHz Taktverschiebung von 5 V auf 3,3 V und bidirektional, möglich?
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