Convertidor de nivel lógico usando transistores

Odio agregar una respuesta aquí, especialmente porque el OP ni siquiera necesita una operación bidireccional. Pero el circuito está terriblemente diseñado (para entenderlo). Y la descripción sobre perros y colas no ayuda, excepto quizás los alquimistas que intentan escribir fragmentos alegóricos y desconcertantes de su "arte".

(Hay términos compartidos, desarrollados con el tiempo y usados ​​en electrónica para ayudar a comunicarse. Un "pull hacia abajo" podría ser un ejemplo. Pero han sobrevivido la prueba del tiempo y se comunican usando la idea general de tirar de un nodo , que no es difícil de comunicar cuando alguien pregunta y está tratando de aprender el término. Y se puede adaptar fácilmente para hablar de "tirar más fuerte", por ejemplo, sin pérdida de significado. La idea de débil y fuerte se sostiene comúnmente , como lo es la idea de tirar, y estos se aplican fácilmente una vez que alguien ha adquirido las ideas de la ley de Ohm, voltaje, corriente y resistencia).

Una forma de usar un BJT para el cambio de nivel es usarlo en un modo de base común. Simplemente conecta la base a un riel y "tira hacia abajo" de su emisor. Puede colocar la resistencia en la base o en el emisor. Todo lo que queda por hacer es usar un pull-up en el colector. Dado que esperamos lograr un uso bidireccional, la resistencia se colocará en la base.

He aquí un ejemplo cuando se pasa de un$3\:\textrm{V}$salida lógica hacia un$5\:\textrm{V}$entrada lógica:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Yendo en la otra dirección, es muy tentador utilizar un enfoque simétrico:

^{simular este circuito}

Pero eso no funciona. ¿Por qué? porque la base tiene$5\:\textrm{V}$de que dispone y el pull-up del colector se engancha a una tensión inferior,$3\:\textrm{V}$. Esto significa que el diodo del colector de base (que ya no se muestra comúnmente en el símbolo, aunque alguna vez lo fue cuando los BJT se fabricaban de manera más simétrica) puede estar (y estará) polarizado hacia adelante. Entonces, cuando se supone que el BJT debe estar apagado , en realidad no lo está. En su lugar, hay un diodo con polarización directa atrapado entre$5\:\textrm{V}$y$3\:\textrm{V}$con dos resistencias para limitar la corriente. Entonces, la salida estará en un valor medio por encima$3\:\textrm{V}$pero tampoco del todo$5\:\textrm{V}$.

La simetría falla.

Es fácil de arreglar. Simplemente podemos cambiar el voltaje base de nuevo a$3\:\textrm{V}$:

^{simular este circuito}

Y eso funciona

Suponga que desea hacer esto bidireccional. ¿Podría usar dos de estos circuitos, uno para cada dirección?

^{simular este circuito}

Y la respuesta es, sí se puede. De hecho, lo que hice fue simplemente reproducir ese circuito de cola de perro que presentó el OP. Es lo mismo. Pero ahora puedes ver la progresión que condujo a ello. Y ya no es tan confuso como una extraña cola de perro con cables cruzados. Son solo dos circuitos elaborados individualmente unidos en uno más grande.

Pero, ¿recuerda el problema anterior con el circuito equivocado ? ¿El hecho de que haya un diodo de colector de base furtivo que hizo que el circuito funcionara incorrectamente? Este hecho debería recordarnos que todos los BJT también pueden funcionar en un modo activo inverso. Si lo hace, especialmente con los diseños asimétricos modernos para sus colectores y emisores, significa que el$\beta$en un modo será diferente al otro (entre algunas otras diferencias). Pero eso no significa que no funcionen.

Entonces, ¿qué pasa si acabamos de regresar a nuestro primer circuito y simplemente agregamos ese pull-up adicional?

^{simular este circuito}

¿Funcionaría esto? La respuesta es sí, de hecho funcionará. La única pregunta que queda podría ser sobre en qué dirección apuntar el emisor. Y aquí es donde una buena respuesta "depende". Hay cuestiones de almacenamiento de carga a tener en cuenta, por ejemplo. (Y esta es una razón por la que hay una diferencia en el comportamiento del flanco ascendente frente al flanco descendente que se muestra en el gráfico del OP). La respuesta dependerá de lo que le interese, ya que habrá consideraciones de flanco ascendente frente a flanco descendente y ninguna respuesta en particular es siempre correcta. Para mis propósitos aquí, voy a evitar alargar esto más y, en cambio, dejaré esa pregunta como algo para reflexionar. Es suficiente que este circuito funcione, independientemente.

Nota : el valor real de las resistencias utilizadas en los circuitos anteriores no implica que estos sean los únicos valores correctos para usar en alguna circunstancia particular. Por lo general, las salidas digitales pueden hundirse más de$1\:\textrm{mA}$de corriente de accionamiento y, por lo general, las entradas digitales se hundirán significativamente menos que$100\:\mu\textrm{A}$. Pero estas suposiciones pueden ser incorrectas para casos específicos. Sin embargo, no es difícil ajustar los detalles. Entonces, la idea básica aún puede aplicarse, aunque con cambios razonados en los valores de resistencia.

Hay más pasos que uno podría tomar, ahora. Y Trevor encontró un buen ejemplo de hacia dónde podría dirigirse uno. Voy a incluirlo aquí para capturar ese resultado. Vale la pena tener. Los interesados ​​pueden considerar los porqués y las razones. Sin más explicaciones de mi parte, disfrute de la adición de Trevor a continuación:

Este es un convertidor acoplado por emisor y, como tal, no necesita conexión a tierra.

NOTA: el etiquetado esquemático es un poco ambiguo. "Sistema 3V" y "Sistema 5v" son las señales lógicas. +5V y +3V son los rieles de suministro lógico.

Cuando baja cualquier lado, baja el emisor del transistor opuesto, lo que lo enciende y baja la salida opuesta.

Los pull-ups internos manejan los estados lógicos altos.

Por cierto, el punto de tierra está IMPLÍCITO en ese esquema. Es lo que sea que se haga referencia a +3V y +5V.

Inspirado por la respuesta de Jonk, volví a dibujar el esquema de esta manera para hacerlo un poco "más claro".

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Pero, en realidad, R3 y R4 se pueden combinar y los dos transistores se convierten en un transistor bidireccional.

^{simular este circuito}

Lo que te lleva prácticamente al mismo lugar que la respuesta de Jonk.