双方向ロジックレベル変換モジュール　試してみた（抵抗を外付けして高速化！）

Amazonにて、「双方向ロジックレベル変換モジュール」というものを買ってみました。

これは、ロジック信号を双方向にレベル変換（3.3V⇔5Vとか）できる代物で、安くてお手軽に4chを変換できるので便利です。SPI通信やI2C通信などで、電圧の違うICを接続するときなどに活躍します。秋月やsparkfunなどにも似たものがあります。

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今回は、この「双方向ロジックレベル変換モジュール」の中身や使い方などについて、やっていきます。

双方向レベル変換モジュールとは、どういうものか？

双方向レベル変換モジュールは、デジタル（ロジック）信号の電圧を変えるものです。信号を入れたら、逆側から電圧レベルを変更された信号が出力されます。

"双方向"なので、逆向きもOKです。

今回のモジュールでは、チャンネルごとに自由に方向を決められます。特に設定とかはなく、途中で向きを切り替えることもOKです。

双方向レベル変換モジュールの使い方（接続方法）

実際の、双方向レベル変換モジュールの接続方法はこんな感じです（一例）。

この例では、信号の向きをチャンネル1～3は3.3V→5V、チャンネル4は5V→3.3Vとしています。

双方向レベル変換モジュールの内部回路

さて、このモジュールの中身はどうなっているのか？というと、こんな感じになっています。

MOSFETと10k抵抗が2つで1チャンネルとなっていて、これが4チャンネル分ある、という構成になっています。MOSFETはゲートしきい値が1V程度のものが使用されているようです。

双方向レベル変換モジュールの動作原理

上記の回路から、1チャンネル分だけ切り出すと、こうなります。

これを見ながら、双方向レベル変換回路の動作を見ていきます。

3.3V→5V

"0"のとき

LV信号に"0"を入力すると、MOSFETのVgsに3.3VがかかるためMOSFETがONとなります。すると、MOSFETのD-S間が導通するため、HV信号とLV信号の電位が同じになります。つまり、HV信号はLV信号と同じ0Vとなるので、HV信号に"0"が出力されます。

"1"のとき

LV信号に"1"を入力すると、MOSFETのVgsは0V(電位差なし)となるのでMOSFETはOFFです。そのため、HV信号は抵抗によるプルアップで5Vです。よって、論理"1"がHV信号に出力されます。

5V→3.3V

"0"のとき

HV信号に"0"を入力した時を考えます。まず、LV信号は入力なのでHighインピーダンスと考えて、抵抗RLによってMOSFETのソースも3.3Vとなり、Vgs=0V、MOSFETはOFFとなります。すると、MOSFETのソース(3.3V)からドレイン(0V)へボディダイオードを通じて電流が流れます。

ボディダイオードが導通すると、ソースの電位がVFとなるため、Vgs=3.3-VFとなり、MOSFETがONになります。MOSFETがONとなると、HV信号とLV信号は同電位になるので、LV信号に"0"が出力されます。

"1"のとき

HV信号に"1"を入力すると、Vgs=0VとなるのでMOSFETはOFFとなります。ソースの電位(3.3V)＜ドレインの電位(5V)なので、ボディダイオードは導通しません。そのため、MOSFETはOFFのままとなり、LV信号は抵抗RLでプルアップされた3.3Vが入るので、論理"1"がLV信号に出力されます。

実際に動作させてみた

ファンクション・ジェネレータで矩形波(Duty50%、0-5V or 0-3.3V)を出力させて、入出力の波形をオシロスコープで観測してみました。

3.3V→5V

実験回路はこんなイメージ(ファンクション・ジェネレータとオシロのプローブのGNDは省略)。観測波形はそれぞれこんな感じになりました。

3.3V→5V(1kHz)　CH1：入力(3.3V)　CH2：出力(5V)

3.3V→5V(10kHz)　CH1：入力(3.3V)　CH2：出力(5V)

3.3V→5V(100kHz)　CH1：入力(3.3V)　CH2：出力(5V)　立ち上がりの遅れ（波形のなまり）が目立ってきます。

3.3V→5V(200kHz)　CH1：入力(3.3V)　CH2：出力(5V)

3.3V→5V(500kHz)　CH1：入力(3.3V)　CH2：出力(5V)

5V→3.3V

実験回路はこんなイメージ。観測波形はそれぞれこんな感じになりました。

5V→3.3V(1kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

5V→3.3V(10kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

5V→3.3V(100kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)　立ち上がりの遅れ（波形のなまり）が目立ってきます。

5V→3.3V(200kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

5V→3.3V(500kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

双方向レベル変換モジュールを高速化するには？

上記の実験結果から、3.3V→5Vのときも、5V→3.3Vのときも100kHzあたりから、立ち上がりがなまりだします。500kHzはもとより、200kHzでも実用は厳しい印象です。しかし、200kHzや500kHzは、SPI通信やI2C通信で使用する領域です。

このレベル変換回路を高速化するには、抵抗値を小さくするという方法があります。この場合、信号出力側の抵抗を小さくすることになります。

この回路図でいえば、抵抗RHを小さくすると3.3V→5Vが高速化され、抵抗RLを小さくすると5V→3.3Vが高速化されます。

ところが、これらの抵抗は（今回のモジュールだと）実装済みのチップ抵抗です。チップ抵抗の貼り替えは、正直やりたくない！のが本音です（私だけ？）。そんな場合は、（このモジュールなら）抵抗を外付けすることで対応できます。

外付けの抵抗と実装済みのチップ抵抗で、合成抵抗とすることで抵抗値を下げます。外付けする抵抗値を1kΩとすると、合成抵抗は(10kΩ×1kΩ)/(10kΩ+1kΩ)=0.9kΩになります。

実際のモジュールでの接続例はこんな感じです。

抵抗を外付けして、動作させてみた

上記のように1kΩの抵抗を外付けしたときに、どれくらい変化があるか、試してみました。試験方法はさきほどと同様です。

3.3V→5V

3.3V→5V(100kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

3.3V→5V(200kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

3.3V→5V(500kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

5V→3.3V

5V→3.3V(100kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

5V→3.3V(200kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

5V→3.3V(500kHz)　CH1：入力(5V)　CH2：出力(3.3V)

3.3V→5V、5V→3.3Vともに500kHzで多少なまる程度まで改善されました。これならこのあたりの周波数でも使えそうです。

今回は、双方向ロジックレベル変換モジュールについて、内部回路・動作原理・動作波形などやってきました。今回はこれで終了です。参考になれば幸いです。