Pegelumsetzer

Als Pegelumsetzer oder Pegelwandler (englisch level shifter) bezeichnet man in der Elektronik eine diskrete oder integrierte elektronische Schaltung, welche die Signalpegel - in der Regel Spannungssignale - einer Informationsquelle an die Eingangssignalpegel einer Informationssenke anpasst. Pegelumsetzer können sowohl in der Analogtechnik als auch in der Digitaltechnik Anwendung finden.

Ferner können Schnittstellentreiber oder Schnittstellenumsetzer ebenfalls als Pegelumsetzer gesehen werden.

Notwendigkeit

Müssen elektronische Baugruppen untereinander kommunizieren, so wird dies meist über eine elektrische Verbindung realisiert. Da jedoch nicht alle Baugruppen mit denselben Spannungspegeln arbeiten, ist es für eine Kommunikation dieser Baugruppen untereinander erforderlich, die Signalpegel der Informationssignale zu adaptieren. Diese Anpassung kann je nach Anforderung durch eine aktive oder passive elektronische Schaltung geschehen.

Bei speziellen Anwendungen kann es erforderlich sein, dass die zu kommunizierenden elektronischen Baugruppen untereinander galvanisch zu trennen sind. Auch hier werden Pegelumsetzer eingesetzt, die neben der Anpassung der Spannungsbereiche auch die galvanische Trennung der Informationssignale durchführen. Die kann je nach Anforderung mittels Optokoppler oder Impulstransformatoren geschehen.

Analogtechnik

Subtrahierverstärker als analoger Pegelumsetzer

Bei analogen Schaltungen werden Signalpegel des Senders meist durch Verstärker an die des Empfängers angepasst. Beispielsweise wird das Signal eines Mikrofons durch einen Mikrofonvorverstärker an den Eingangssignalpegelbereich des AUX-Eingangs eines Verstärkers adaptiert.

Es gibt jedoch auch Anwendungen bei denen ein einfaches Verstärken oder Abschwächen des Informationssignals nicht ausreicht und das Signal zusätzlich im Spannungsbereich verschoben werden muss. Soll beispielsweise ein Audiosignal mit einem typischen Spannungsbereich von -100 mV bis 100 mV digitalisiert werden, ist es nicht nur nötig dieses Signal zu Verstärkern, sondern auch durch Addition einer Offsetspannung zu verschieben, wofür sich die Schaltung des Subtrahierverstärkers an.

Dimensionierungsbeispiel

Analog-Digital-Umsetzer können für gewöhnlich keine negativen Spannungen messen, weshalb das zu messende Audiosignal in den positiven Spannungsbereich verschoben werden muss. Kann der Analog-Digital-Umsetzer nun einen Spannungsbereich von 0 V bis 5 V verarbeiten, muss das Audiosignal (-100 mV bis 100 mV) um den Faktor 25 verstärkt, und mit einer Offsetspannung von 2,5 V überlagert werden. Um diesen Pegelumsetzer mit einem Subtrahierverstärker realisieren zu können, wird der invertierende Eingang des Verstärkers als Signalpfad, und der nicht invertierende Eingang als Offseteingang verwendet. Das Ausgangssignal des Pegelumsetzers liegt dann zwar invertiert vor, jedoch kann der Subtrahierverstärker so an verfügbare Referenzspannung für die Offsetbildung angepasst werden. Weiterhin ist das invertieren des digitalisierten Signals praktisch kein Umstand.

Die Ausgangsspannung des Subtrahierverstärkers in Abhängigkeit der Eingangsspannung U_inin (invertierender Eingang) ergibt sich zu

$U_{out} = - U_{in} \cdot \frac {R_f}{R_n}$

Somit muss für eine Verstärkung von -25 ein Widerstandsverhältnis R_f:R_n von 25:1 gewählt werden.

Nun wird der Eingangsspannungsbereich von -100 mV bis 100 mV als Ausgangsspannungsbereich von 2,5 V bis -2,5 V abgebildet. Um nun noch die nötige Offsetspannung von 2,5 V zu addieren, müssen die Widerstände R_a und R_b so gewählt werden, dass sich bei einer gegeben Referenzspannung (angenommen 5 V) eine resultierende Offsetspannung von 2,5 V am Ausgang des Subtrahierverstärkers ergibt.

Die Ausgangsspannung des Subtrahierverstärkers in Abhängigkeit der Eingangsspannung U_ref (nicht invertierender Eingang) ergibt sich zu

$U_{out} = U_{ref} \cdot \frac{R_b}{R_a + R_b} \cdot (1 + \frac{R_f}{R_n})$

Durch Einsetzen der der zuvor ermittelten Werte, der vorhandenen Referenzspannung (5 V) und der benötigen Offsetspannung (2,5 V) ergibt sich ein Widerstandsverhältnis R_a:R_b von 51.

Digitaltechnik

Bei digitalen Schaltungen kommt es sehr häufig vor, dass unterschiedliche Bauteile (z.B. Mikrocontroller und LC-Display) mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen betrieben werden. Um nun die Kommunikation dieser Baugruppen zu ermöglichen, müssen die Logikpegel untereinander angepasst werden. Bei einer digitalen Kommunikation kann die Verbindung der Baugruppen, je nach Bussystem, bidirektional oder unidirektional stattfinden. Je nach Anforderung muss auch der Pegelumsetzer dies unterstützen.

Unidirektionale Pegelumsetzer

Spannungsteilung, Spannungsbegrenzung

Passiver Pegelumsetzer mit einem Spannungsteiler

Spannungsbegrenzung des Eingangssignals mittels Zenerdiode

Die einfachste Form digitale Pegel anzupassen stellt ein Spannungsteiler dar. Hiebei wird die Spannung des Senders mittels Widerstände geteilt und die verminderte Spannung dem Empfänger zu Verfügung gestellt.

Eine weitere Möglichkeit ein digitales Signal anzupassen stellt eine Kombination aus seriellem Widerstand und paralleler Zenerdiode dar. Durch die Zenerdiode wird der Signalpegel auf ein definiertes Potenzial gehalten und der Querstrom durch den Widerstand begrenzt.

Die Einfachheit dieser Pegelumsetzer hat jedoch zahlreiche Nachteile. Da diese Pegelumsetzer passiv arbeiten, ist es damit nur möglich, Signalpegel zu reduzieren. Es kann somit nur eine Informationsquelle mit höheren Signalpegeln einer Informationssenke mit niedrigeren Signalpegel Informationen übertragen, nicht jedoch umgekehrt.

Ein weiterer Nachteil dieser einfachen Pegelumsetzer besteht im Stromverbrauch. Bei einer logischen Eins fließt permanent ein konstanter Strom, welcher Verluste verursacht.

Da der Ausgangsstrom dieser Pegelumsetzer sehr gering ist und jeder Eingang einer digitalen Schaltung eine Eingangskapazität aufweist, ergibt sich somit ein Tiefpassverhalten. Dadurch ist die maximale Übertragungsfrequenz stark begrenzt.

Pegelumsetzer mit Transistor

Transistorschaltung mit Open-Collector-Ausgang und Pullup-Widerstand als Pegelumsetzer

Um einige der besagte Probleme zu vermeiden, kann ein Transistor in Kombination mit einem Pullup-Widerstand eingesetzt werden. Hierbei kann der Eingangspegel in beliebige Ausgangspegel umgesetzt werden, indem der Pullup-Widerstand mit einer Spannungsquelle, mit einer Spannung in der Höhe der gewünschten Ausgangsspannung, verbunden wird.

Ein Nachteil eines solchen Pegelumsetzers ist der nun bei logischer Null fließende Querstrom. Weiters invertiert diese Schaltung das Signal, womit es nötig sein kann, das Logiksignal vor oder nach dem Pegelumsetzer zu invertieren.

Bidirektionale Pegelumsetzer

Pegelumsetzer mit Transistor

Einfacher bidirektionaler Pegelumsetzer

Eine Möglichkeit, einen einfachen bidirektionalen Pegelumsetzer aufzubauen, besteht in der Verwendung eines MOSFETs mit zwei Pullup-Widerstanden, wovon je einer mit der jeweils gewünschten Betriebsspannung verbunden wird.

Wird nun am Eingang Ua eine logische Null angelegt (0 V) so liegt der Source-Anschluss des N-Kanal-MOSFETs auf Massepotenzial. Somit ergibt sich eine positive Gate-Sourcespannung, wodurch der Transistor durchschaltet, den Ausgang U_b ebenfalls auf Masse zieht und logische Null anliegt.

Wird an U_a eine logische Eins (Versorgungsspannungspotenzial der linken Seite, im Beispiel 5 V) angelegt, so liegt der Source-Anschluss auf dem selben Potenzial wie der Gate-Anschluss wodurch der Transistor sperrt. Der Ausgang U_b wird nun durch den Pullup-Widerstanden R₂ auf das Versorgungsspannungspotenzial der rechten Seite (im Beispiel 3,3 V) gezogen und wo nun logisch Eins anliegt.

Betrachtet man nun den Pegelumsetzer von der andere Richtung, ergibt sich bei einer logischen Eins am Eingang U_b ein ähnliches Szenario. Das Gate des Transistors wird nun über den Pullup-Widerstanden R₁ auf das Versorgungsspannungspotenzial der linken Seite (im Beispiel 5 V) gezogen, wodurch der Transistor sperrt. Gleichzeitig liegt durch diesen Widerstand Versorgungsspannungspotenzial am Ausgang U_a an, wodurch dieser Ausgang auf logisch Eins liegt.

Wird nun am Eingang Ub eine logische Null angelegt (0 V), so sperrt der Transistor aufgrund der fehlenden Gate-Sourcespannung nach wie vor. Da ein diskreter MOSFET, herstellungsbedingt, jedoch stets eine parallele Substratdiode ausweist, beginnt diese nun zu leiten und zeiht den Ausgang U_a ebenfalls auf annähernd Massepotenzial (abzüglich der Durchlassspannung der Diode). Dadurch ergibt sich nun eine Gate-Sourcespannung, der Transistor beginnt zu leiten und zieht den Ausgang Ua endgültig auf Masse, wodurch nun an Ua eine logische Null anliegt.

Sonstige Pegelumsetzer

Pegelumsetzer gibt es für nahezu alle Anwendungen als integrierte elektronische Schaltung. Bei bidirektionalen Pegelumsetzern wird die Umsetzrichtung meist durch eine eigene Steuerleitung ausgewählt. Ein klarer Vorteil eines Pegelumsetzers als integrierte Schaltung ist die Grenzfrequenz, welche meist deutlich höher liegt als die einer diskreten Schaltung.

Pegelumsetzer für digitale Signale mit beliebiger Ausgangsspannung können auf recht einfache Weise mithilfe eines Komparators aufgebaut werden. Allerdings ist auch hier die maximale Übertragungsfrequenz stark durch die Grenzfrequenz des Komparators eingeschränkt.

Grundsätzlich kann jeder Pegelumsetzer auch als galvanisch getrennte Variante ausgeführt werden. Analoge Pegelumsetzer mit galvanischer Trennung sind einem Trennverstärker sehr ähnlich, wenn auch ein Trennverstärker die Signalpegel nur verstärkt und nicht direkt anpasst (verschiebt).

Schnittstellentreiber

Schnittstellentreiber können als Sonderform eines Pegelumsetzers angesehen werden. Neben der eigentlichen Anpassung der Signalpegel können Schnittstellentreiber auch komplette Spannungsaufbereitungsschaltungen integriert haben, um die für den Ausgangspegel nötigen Spannungen selbst zu erzeugen zu können. Weiters können Schnittstellentreiber teilweise auch aus einem Eingangssignal mehrere Ausgangssignale bilden, um etwa ein differenzielles Signal zu bilden. Schnittstellentreiber müssten das Eingangsspannungssignal jedoch nicht zwangsläufig in eine angepasste Ausgangsspannung umwandeln, sondern können dieses Eingangssignal auch in ein Ausgangsstromsignal wandeln.

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik 12. Auflage, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2002, ISBN 3-540-42849-6
• Erwin Böhmer: Elemente der angewandten Elektronik 15. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2007, ISBN 978-3-8348-0124-1

Weblinks

• Erklärung von unterschiedlichen Pegelumsetzerschaltungen