Normes de tension d'E/S et leur rôle pour garantir que les microcontrôleurs parlent le même langage

Imaginez que vous essayez de communiquer avec un étranger dans votre langue maternelle (Figure 1), pour vous rendre compte que non seulement il ne vous comprend pas, mais que votre « oui » signifie en fait « non » dans sa langue. C'est exactement ce qui se passe lorsque deux circuits intégrés avec des normes E/S incompatibles tentent de communiquer. Il en résulte, au mieux, une confusion et, au pire, des dommages matériels.

Figure 1 : Image générée par IA symbolisant la confusion liée à l'utilisation de différentes normes E/S. (Source : générée par IA)

Les microcontrôleurs fonctionnent selon une logique binaire de 0 et de 1. Il existe des plages de tensions qui correspondent à ces niveaux logiques. Par exemple, un microcontrôleur peut lire un « 0 » logique comme toute valeur inférieure à 0,3 V, et un « 1 » comme toute valeur supérieure à 2,7 V et jusqu'à 3,3 V. Mais un autre microcontrôleur peut lire un « 1 » comme toute valeur comprise entre 1,2 V et 1,8 V. Si le premier microcontrôleur envoie un signal de 3,3 V au second (Figure 2), il risque de dépasser la tolérance de tension du dispositif récepteur, ce qui pourrait causer des dommages irréversibles.

Figure 2 : Représentation de deux circuits intégrés aux normes E/S incompatibles tentant de communiquer. (Source : générée par IA)

C'est pourquoi il est essentiel de comprendre et de gérer la compatibilité des tensions E/S dans la conception des systèmes embarqués. En l'absence de conversion de tension ou de décalage de niveau approprié, même une simple connexion entre deux puces peut entraîner un comportement imprévisible ou une défaillance matérielle.

Rôle des normes de tension E/S

Les normes de tension E/S définissent les niveaux de tension acceptables pour les signaux logiques numériques, en spécifiant ce qui constitue un niveau logique haut (1) ou bas (0). Ces normes garantissent que les dispositifs peuvent interpréter correctement les signaux et répondre de manière appropriée. En l'absence d'une norme commune sur ces niveaux, les dispositifs peuvent mal interpréter les signaux ou ne pas communiquer entre eux.

Terminologie définie par les normes :

• VIH (Input High Voltage) : tension minimum reconnue comme un niveau logique haut.
• VIL (Input Low Voltage) : tension maximum reconnue comme un niveau logique bas.
• VOH (Output High Voltage) : tension de sortie minimum reconnue comme un niveau logique haut.
• VOL (Output Low Voltage) : tension de sortie maximum reconnue comme un niveau logique bas.

Pour une communication réussie, les niveaux de sortie d'un dispositif doivent se situer dans la plage d'entrée acceptable du dispositif récepteur.

Normes d'E/S asymétriques

Les normes d'entrée/sortie asymétriques (SIO) (Figure 3) comptent parmi les normes d'entrée/sortie (E/S) les plus courantes. Elles utilisent un seul fil référencé à une masse commune pour le transfert des signaux. Pour les conceptions à faible vitesse et faible complexité, les normes SIO constituent une alternative plus simple et économique que les normes de signalisation différentielle, qui utilisent deux signaux complémentaires.

La classe LVCMOS (Low Voltage Complementary Metal-Oxide Semiconductor) est une norme asymétrique courante, souvent appelée LVMOS dans certains contextes. Le LVCMOS fonctionne typiquement à 1,8 V, 2,4 V ou 3,3 V et définit des seuils spécifiques pour les niveaux logiques haut et bas. La simplicité liée aux normes SIO a un coût : les SIO comme LVCMOS sont sensibles au bruit et à la dégradation du signal sur de longues distances ou à hautes fréquences. Il est essentiel de garantir une compatibilité de tension adéquate à l'aide de dispositifs de décalage de niveau lors de l'interfaçage de LVCMOS avec des dispositifs fonctionnant dans des domaines de tension différents.

Figure 3 : Niveaux de tension des différentes normes E/S. (Source : Texas Instruments)

Défis liés à l'interfaçage E/S

1. Inadéquation des tensions

Le problème le plus fréquent lié à l'interfaçage de dispositifs fonctionnant à des niveaux de tension différents est l'inadéquation des tensions. Par exemple, connecter une sortie de 3,3 V à une entrée de 1,8 V sans décalage de niveau peut endommager le dispositif présentant la plus basse tension (Figure 2).

Pour atténuer ce phénomène, il faut s'assurer que les niveaux VIH et VIL d'un circuit intégré correspondent aux niveaux VOH et VOL de l'autre circuit intégré.

2. Intégrité des signaux

À haute vitesse, les réflexions, les oscillations et la diaphonie peuvent altérer les signaux. Une terminaison, une adaptation d'impédance et un routage des pistes appropriés sont essentiels pour maintenir des transitions de signaux propres.

3. Domaines d'alimentation

Dans les systèmes à rails de tension multiples, il faut veiller à isoler ou à convertir les signaux entre les domaines. Les dispositifs de décalage de niveau, les diviseurs de tension ou les configurations à drain ouvert avec résistances d'excursion haute sont des solutions courantes.

Gammes logiques avancées : LVPECL, CML, VML et LVDS

Les gammes logiques telles que LVPECL (Low Voltage Positive Emitter Coupled Logic), CML (Current Mode Logic) et VML (Voltage Mode Logic) sont utilisées dans les systèmes de communication à haut débit (Tableau 1). Elles offrent des transitions plus rapides et une meilleure immunité au bruit, mais requièrent une conception minutieuse :

• LVPECL : fonctionne à environ 3 V, avec signalisation différentielle et performances haute vitesse
• CML : utilise des sources de courant constant pour une commutation rapide et une faible gigue
• VML : moins fréquemment utilisé, mais offre une signalisation en mode tension avec variation indépendante de la charge
• LVDS : largement utilisé pour la signalisation différentielle basse consommation à vitesse modérée

Tableau 1 : Paramètres de tension par niveau logique LVPECL, CML, VML et LVDS. (Source : Texas Instruments)

Meilleures pratiques pour l'interfaçage E/S

1. Toujours vérifier les fiches techniques pour les valeurs VIH, VIL, VOH et VOL.
2. Utiliser des dispositifs de décalage de niveau lors de l'interfaçage entre domaines de tension.
3. Effectuer des tests préliminaires et fréquents à l'aide d'oscilloscopes et d'analyseurs logiques.

L'interfaçage E/S ne se limite pas à la simple connexion de broches : il s'agit de garantir que chaque signal est interprété exactement comme prévu. À mesure que les systèmes embarqués deviennent plus complexes et fonctionnent sur plusieurs domaines de tension et gammes logiques, il devient essentiel de maîtriser la compatibilité des E/S.

En comprenant les normes de tension, en anticipant les inadéquations et en appliquant les meilleures pratiques, il est possible de concevoir des systèmes robustes et fiables qui communiquent clairement sans aucune erreur d'interprétation. Toutefois, s'il est nécessaire de faire communiquer des circuits intégrés de différentes normes E/S, l'un des moyens d'atténuer l'inadéquation des niveaux de signal consiste à utiliser des dispositifs de décalage de niveau.

Dispositif de décalage de niveau

Un dispositif de décalage de niveau (LS) est un circuit utilisé dans les systèmes embarqués pour fournir une interface sécurisée entre des composants fonctionnant à des niveaux de tension différents. Supposons qu'un microcontrôleur fonctionnant à 3,3 V doive communiquer avec un capteur exécutant une logique 1,8 V. Le dispositif de décalage de niveau garantit que les signaux sont correctement interprétés entre les deux, sans aucun risque de dommage ou d'erreurs logiques. Selon le protocole utilisé, les dispositifs de décalage de niveau peuvent être classés en deux catégories : unidirectionnels ou bidirectionnels. Les dispositifs de décalage de niveau sont généralement mis en œuvre à l'aide de MOSFET, de circuits intégrés tampons ou de puces de translateur de niveau dédiées. Ils jouent un rôle essentiel dans le maintien de l'intégrité des signaux et dans la protection des composants dans les environnements à tensions mixtes.

Figure 4 : Module de décalage de niveau à huit canaux. (Source : SparkFun)

Ressources supplémentaires

1. https://www.ti.com/lit/an/slla120/slla120.pdf
2. Principes de base du décalage de niveau logique | DigiKey
3. Emitter Coupled Logic - GeeksforGeeks
4. LVPECL Technology: Principles, Classifications, Applications, and Performance Insights
5. Microsoft Word - Hfan10v2_4-08.doc