Pegelumsetzer 5V -> 3V3

[Diz]

Hallo Experten!

Ich suche eine einfache Variante um von 5V auf 3V3 Pegel zu kommen.
Ich habe einen Push-Pull CMOS Ausgang und will das Signal in einer 3V3 Schaltung weiterverarbeiten.

Ich habe auch schon ein bisschen nachgeforscht.
Mir sind folgende Varianten eingefallen:

1. Einfach mit einem Transistor -> 5V an Basis und 3V3 an Kollektor. wenn kein Emitter direkt auf GND geschalten wird, dann sollte das funktionieren. Wenn aber ein Emitterwiderstand verwendet wird, dann funktioniert das Ganze nicht, weil die Basis-Kollektor Diode leitend wird.
2. Komparatoren: 5V Spannungseingang mit Spannungsteiler versehen.
3. LVT Bauteile verwenden - die halten nämlich trotz 5V Versorgung Eingangspgen bis zu 7V aus.
4. Zwei Pullups (einer auf 5V, andere auf 3V3) und mit einer Diode von 3V3 gegen 5V Pullup verbinden. Der 5V Pull-up ist mit meinem CMOS Ausgang verbunden. Der 3V3 Pullup ist mit der Basis einens PnP Transistors verbunden, der am Emitter 3V3 anliegen hat.

Welche Variante würdet ihr bevorzugen? Primär will ich Augenmerk auf den Platzbedarf legen. Je kompakter desto besser.

thx a lot
Gruß,
Diz

[Reinhard_Kern_4bc529]

Hallo,

das geht auch einfacher: an 3.3V 74AHC verwenden und sicherheitshalber einen Widerstand von 10 kOhm dazwischenschalten. Low von 5V-CMOS ist low genug für 3.3V-AHC und Hi ist entweder zulässig (Vin max 5.5V) oder wird geclampt - hi genug ist es sowieso.

Gruss Reinhard

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

[weisgarnix]

verständnisprobleme

hallo,

deine lösungen erscheinen mir alle recht kompliziert.

warum kannst du nicht einfach einen spannungsteiler mit 2 widerständen aufbauen?

Welche Variante würdet ihr bevorzugen? Primär will ich
Augenmerk auf den Platzbedarf legen. Je kompakter desto
besser.

da wär mein vorschlag doch ideal.

thx a lot
Gruß,
Diz

gruss wgn

[Diz]

Hallo,

das geht auch einfacher: an 3.3V 74AHC verwenden und
sicherheitshalber einen Widerstand von 10 kOhm
dazwischenschalten. Low von 5V-CMOS ist low genug für 3.3V-AHC
und Hi ist entweder zulässig (Vin max 5.5V) oder wird geclampt

• hi genug ist es sowieso.

Gruss Reinhard

Hallo Reinhard,

aber wenn ich das 74AHC Gatter so missbrauche rächt sich das denn nicht
mit einer verkürzten Lebensdauer oder gar mit dem sofortigen Tode?

Ich mein wenn ich das Gatter mit 3.3V versorge und mit 5V InputSpg hantiere, dann sind das 1.7V differenz. tut das dem ding nicht weh?

Nehm ich da ein gewöhnliches 74AHC Gatter und betreibe es nur mit geringerer Versorgungspg oder gibt es da 3V3 Typen???

thx a lot
Gruß,
Diz

[Diz]

Hallo weisgarnix,

Hm? ja die Spgteiler variante hat einfach nur den Nachteil, dass es Lastabhängig ist.

Ich möchte ja auch nicht einen so niederohmigen spgteiler, dass zwar die Spg wieder passt, aber unnötig viel Leistung verbraten wird.

deine lösungen erscheinen mir alle recht kompliziert.

warum kannst du nicht einfach einen spannungsteiler mit 2
widerständen aufbauen?

Welche Variante würdet ihr bevorzugen? Primär will ich
Augenmerk auf den Platzbedarf legen. Je kompakter desto
besser.

da wär mein vorschlag doch ideal.

thx a lot
Gruß,
Diz

[achs_f7d634]

Hallo Diz,

Hallo Reinhard,

aber wenn ich das 74AHC Gatter so missbrauche rächt sich das
denn nicht
mit einer verkürzten Lebensdauer oder gar mit dem sofortigen
Tode?

Ich mein wenn ich das Gatter mit 3.3V versorge und mit 5V
InputSpg hantiere, dann sind das 1.7V differenz. tut das dem
ding nicht weh?

nein, die Klimb-Dioden sind eingebaut und leiten einfach ab(datenblatt einfach mal nachschauen, maximal 20mA meistens)

wichtig ist der Widerstand dazwischen, der muss diesen Strom halt auf 20mA begrenzen.

Der Spannungsteiler von WGN ist dabei aber prinzipiell genauso gut, da es egal ist, ob der Strom durch den Pull-Down geht, oder durch die Klimbdiode.

Es gibt aber auch, je nach Anwendungsfall

• ICs, die 5V tolerant sind (bei 3V Versorgung, haben dann aber keine Climbdioden)
• ICs mit 2facher Versorgung zum Pegelwandeln

Evt. ergibt sich ja auch die Möglichkeit, dein 5V IC durch ein 3V IC zu ersetzen oder umgekehrt, da viele 5V-Eingänge auch mit 3V-Ausgängen klar kommen (z.B. HCT statt HC)

Bei der Dimensionierung des Widerstandes nur darauf achten, dass bei Deinen Maximalfrequenzen die Kapazitäten am Eingang keine Verfälschung ergeben. Die statischen Ströme dagegen erlauben meist 1MOhm ohne Probleme

[waldi05]

Hallo,

Hm? ja die Spgteiler variante hat einfach nur den Nachteil,
dass es Lastabhängig ist.

was betreibst Du denn an einem CMOS-Ausgang für eine veränderliche Last?

Ich möchte ja auch nicht einen so niederohmigen spgteiler,
dass zwar die Spg wieder passt, aber unnötig viel Leistung
verbraten wird.

Ausgangsleistung von einem CMOS-Ausgang „verbraten“ ? Na ja . . .

mfg

[Diz]

Hallo Achim,

ok, deine Erläuterungen sind mir klar.

Ich muss in meinem konkreten Fall eben mit mehreren unterschieldichen 5V Eingängen eben eine gewisse logische Funktion (komplizierter als ein UND Gatter) erfüllen.
Dazu habe ich aber nur eine 3V3 Versorgungsspg.

So jetzt bin ich endlich mit der Wahrheit rausgerückt

Das ändert aber nix an eurer aller Schilderungen.

Es ist sowohl der Widerstandsteiler als auch die Ausnutzung der Clamb Dioden machbar.
Welche Logik Familien kann ich für zweiteres verwenden? HC? HCT?

thx a lot
Gruß,
Diz

[Diz]

Hallo,

Hm? ja die Spgteiler variante hat einfach nur den Nachteil,
dass es Lastabhängig ist.

was betreibst Du denn an einem CMOS-Ausgang für eine
veränderliche Last?

hm? eigentlich betreibe ich keien variierende Last. Ich würde den Eingang nur mittels einer gewissen Logik weiterverwenden.

Ich möchte ja auch nicht einen so niederohmigen spgteiler,
dass zwar die Spg wieder passt, aber unnötig viel Leistung
verbraten wird.

Ausgangsleistung von einem CMOS-Ausgang „verbraten“ ? Na ja .

Recht hast.

Ich werd mir überlegen, ob ich die Spgteiler oder Clambdioden (siehe anderer Antwortzweig) Variante wähle.
Das wird wahrscheinlich davon abhängen, ob alle Logikbausteine die 5V Eingangsspg vertragen.

thx a lot
Gruß,
Diz

[Reinhard_Kern_4bc529]

aber wenn ich das 74AHC Gatter so missbrauche rächt sich das
denn nicht
mit einer verkürzten Lebensdauer oder gar mit dem sofortigen
Tode?

Hallo Diz,

das ist kein Missbrauch. Ich habe ein AHC-Datenblatt (Philips) mit folgenden Aussagen:

Vcc 2 - 5.5 V
Vin 0 - 5.5 V

m.a.W. diese Dinger haben keine interne Clamp-Diode, vertragen aber bis zu 5.5 V am Eingang. Ich weiss nicht, ob das für alle Hersteller gilt, aber wenn nicht, dann kommt eben die interne Diode zum Tragen, und bei 10 kOhm Vorwiderstand können nicht mehr als 0.5 mA fliessen, was überhaupt kein Problem ist.

Im Gegensatz dazu ist bei AHCT angegeben Vcc 4.5 - 5.5 V ! Würde mich aber nicht wundern, wenn sie bei 3.3 V trotzdem funktionieren.

Gruss Reinhard

[Diz]

Hallo Reinhard,

wenn ich jetzt mal die Logikbausteine der 54AC Familie hernehme (leider habe ich nur die im Ladl), dann entnehme ich dem
Datenblatt, dass ich eine max. Eingangsspannung von Vcc+/-0.5V anlegen darf.

Ok, wenn ich mehr anlege, dann leiten die Dioden und dann muss ich den Strom begrenzen. aber nichts desto trotz steht bei den absolute maximum ratings eben diese max eingangsspg. das macht mich ein bisschen stutzig.

Kann ich die trotzdem verwenden, oder muss ich mit jetzt alles von der AHC Familie kaufen?

Gruß,
Diz

[Reinhard_Kern_4bc529]

Ok, wenn ich mehr anlege, dann leiten die Dioden und dann muss
ich den Strom begrenzen. aber nichts desto trotz steht bei den
absolute maximum ratings eben diese max eingangsspg. das macht
mich ein bisschen stutzig.

Hallo Diz,

durch die Diode kann die Spannung ja nicht höher ansteigen als Vcc + Diodenspannung (bei begrenztem Eingangsstrom - die Spannung wird erst höher, wenn die interne Diode zerstört ist). Die Schaltung wird millionenfach verwendet.

Gruss Reinhard

[Diz]

Hallo!

Gut danke!
das aus dem Munde eines „alten“ Hasen zu hören, reicht mir als Sicherheit.

Dankeschön!
Gruß,
Diz

[Peter_TOO]

Hallo Beisammen,

m.a.W. diese Dinger haben keine interne Clamp-Diode, vertragen
aber bis zu 5.5 V am Eingang. Ich weiss nicht, ob das für alle
Hersteller gilt, aber wenn nicht, dann kommt eben die interne
Diode zum Tragen, und bei 10 kOhm Vorwiderstand können nicht
mehr als 0.5 mA fliessen, was überhaupt kein Problem ist.

Es gibt zwei Kontepte für die Eingangsschutzschaltung:

1. Clamp-Dioden, also eine gegen Vo und eine gegen Vcc. Diese ist chiptechnisch am einfachsten Umzusetzen, besonders wenn die Leitung sowieso durch eine Sperrschicht isoliert ist. Der Nachteil ist dabei aber, dass die Clamp-Spannung von der Angelegten Betriebsspannung abhängt, also bei abgeschalteter Bertriebsspannung bei 0V + Vclamp liegt. Da muss man besonders bei batteriegestützten Speicherkonzepten aufpassen. Ein Vorteil der Clamp-Diode ist, dass man nicht gross Probleme mit Latchup-Effekten hat, wenn man die Clamp-Dioden z.B. als Schottky-DIoden auslegt, da dann alle parasitären Dioden eine höherer Schaltspannung aufweisen.

2. Zehnerdioden. Ist etwas schwieriger bei der Herstellung und man mauss bein Chiplayout mehr auf die parasitären Dioden acht geben und Latchup-Probleme zu vermeiden.

Im Gegensatz dazu ist bei AHCT angegeben Vcc 4.5 - 5.5 V !
Würde mich aber nicht wundern, wenn sie bei 3.3 V trotzdem
funktionieren.

Nicht unbedingt.
HC T ist bei Eingangspegeln an die TTL-Familie angepasst und eigentlich nur bei Mischbetrieb zu verwenden. Die Ausgangspegel sind CMOS-Kompatibel.
Auf Grund der asymetrischen Ausgangsstufe bei TTL (Totempole) sind die Pegel folgendermassen definiert:
0 = = 2.0V
Die asymetry entstand durch die Strombegrenzung beim „1“-Pegel. TTL-Ausgänge „überleben“ Kurzschlüsse gegen 0V, Kurzschlüsse gegen +5V führen dagegen zur sofortigen zerstörung des Ausgangs.
HC T ist für eine erweiterte Betriebsspannung von +5V +/-10% ausgelegt (TTL = +5V +/-5%).

Die HC-Fammilie wurde von Anfang an für eine Betriebspannung von 2.5 bis 6V ausgelegt. Um einen Vernüftigen Störspannungsabstand zu erhalten, musste die Pegeldefinition verändert werden.
0 = Vcc/2

Wie man berechnen kann ergibt sich ein Problem beim „1“-Pegel und +5V Betriebsspannung:
HC verlangt > 2.5V und TTL liefert nur garantierte >2.4V am Ausgang. Normalerweise kann aber schon mit einem Pullup am TTL-Ausgang die Bedingung >2.5V garantiert werden.

FETs dagen funktionieren dagegen mehr wie gesteuerte Widerstände, Auch ein voll durchgesteuerter FET kann als Widerstand betrachtet werden, der Kurzschluss-Strom kann also rein durch die Geometrie bestimmt werden.
Somit sind die Ausgangspegel von CMOS nur vom Ausgangsstrom abhängig und liegen ohne Ausgangsbelastung bei 0V und Vcc.

MfG Peter(TOO)

[Peter_TOO]

Hallo Diz,

wenn ich jetzt mal die Logikbausteine der 54AC Familie
hernehme (leider habe ich nur die im Ladl), dann entnehme ich
dem
Datenblatt, dass ich eine max. Eingangsspannung von Vcc+/-0.5V
anlegen darf.

Ok, wenn ich mehr anlege, dann leiten die Dioden und dann muss
ich den Strom begrenzen. aber nichts desto trotz steht bei den
absolute maximum ratings eben diese max eingangsspg. das macht
mich ein bisschen stutzig.

Die Eingansspannung am Pin darf nicht höher werden, da darüber die Clamp-Diode zu leiten beginnt. Vergiss nicht: eine ideale Spannungsquelle hat einen Innenwiederstand von 0 Ohm, wenn die Clamp-Diode leitet steigt dann der Strom recht schnell bis Unendlich an …
Im Chip gibt es zwei Faktoren, welche den maximalen Eingansstrom begrenzen:

1. Die Clampdiode selbst. Hier liegt das Problem auf der thermischen Seite und dem Effekt welcher zu den Hotspots führt.
2. Der Bonddraht. Dieser ist nur so um die 4 bis 8 µm dick und aus Gold oder Alluminium. Bei einer Überlastung brennt der einfach durch.

Jetzt kommt Regel 2 zum Zug:
Der Eingansstrom darf nie xx mA übersteigen (normalerweise bist du hier mit 10mA in jedem Fall auf der sicheren Seite).

Mit einem Serienwiderstand erreichts du nun, dass der Strom in den Eingangspin diese 10mA nicht übersteigen kann. Mit einem 1k Widerstand in serie zum Eingang kannst du also im ungünstigsten Fall (Vcc kurzgeschlossen) immer noch 10V anlegen ohne die 10mA zu überschreiten.

MfG Peter(TOO)