互連電平轉(zhuǎn)換及相關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本原理及應(yīng)用場(chǎng)合

1、邏輯電平轉(zhuǎn)換概述

電平轉(zhuǎn)換在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中常常會(huì)用到，不同種類邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換一般通過特定邏輯功能器件實(shí)現(xiàn)（如使用MAX232實(shí)現(xiàn)TTL轉(zhuǎn)RS232等等），但隨著器件集成度的增加，工藝的提升，現(xiàn)在的控制器使用的邏輯電平電壓等級(jí)越來越低（好多控制器對(duì)外接口都直接輸出1.8V或更低了），而同種邏輯電平、不同電壓等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換就變得更為常見了。

TI的邏輯器件列表

2、電平轉(zhuǎn)換分類

常見的雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換包括單向轉(zhuǎn)換、帶方向控制引腳的雙向轉(zhuǎn)換、自動(dòng)感測(cè)雙向轉(zhuǎn)換（推挽型輸出以及用于漏極開路(如I2C)的）等。

電平轉(zhuǎn)換電路類型

二極管電平轉(zhuǎn)換

OC/OD電平轉(zhuǎn)換

Pass Gate電平轉(zhuǎn)換

3、電平轉(zhuǎn)換器件選型

邏輯電平轉(zhuǎn)換都會(huì)消耗功率。例如，從低到高的電平轉(zhuǎn)換中，為了輸出高邏輯電平，輸入電壓(Vin)低于VCC，電源電流變化(ΔICC)始終較高，因此功耗也較高。為了解決高功耗的問題，可以采用雙電源電壓(VCCA及VCCB)邏輯電平轉(zhuǎn)換器，在邏輯電源電壓(VL)等于Vin時(shí)，ΔICC就為0，從而降低功耗。

電平轉(zhuǎn)換通常使用集成器件實(shí)現(xiàn)，但器件的選型需要從以下幾個(gè)方面考慮：

• 信號(hào)特性（OD或PP）；
• 傳輸速度；
• 最大負(fù)載電容；
• 傳輸方向（是否需要帶方向控制）；
• 雙方信號(hào)工作電壓范圍（有沒有High Side和Low Side的區(qū)別）；
• 當(dāng)輸入高電平電壓高于器件VCC時(shí)，器件是否能承受。當(dāng)輸入高電平電壓低于輸出端VIH時(shí)輸出是否能識(shí)別。
• 使用單電源時(shí)，高電壓端驅(qū)動(dòng)低電壓端時(shí)有沒有5V Tolerance問題，低電壓端驅(qū)動(dòng)高電壓端時(shí)VIH是否滿足；
• 控制信號(hào)跟隨的電源域；
• 單方斷電的問題（Partial Power Down），如果有則要選擇有VCC Isolation功能的器件。

4、單向電平轉(zhuǎn)換
單向邏輯電平轉(zhuǎn)換的原理就是在輸出使能(Output Enable)有效時(shí)，提供A點(diǎn)至B點(diǎn)轉(zhuǎn)換；而在輸出使能無效時(shí)，A、B之間呈現(xiàn)高阻態(tài)，通常當(dāng)作電阻無窮大來處理，相當(dāng)于沒有接通。常見的雙電源單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器有如安森美半導(dǎo)體的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。這些雙電源單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用包括通用輸入輸出(GPIO)端口、串行外設(shè)接口(SPI)端口和UART等每根線都是單向傳輸?shù)目偩€。

5、帶方向控制的雙向電平轉(zhuǎn)換
帶方向控制引腳的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的工作原理是：輸出使能和方向控制信號(hào)均為低電平時(shí)，提供B點(diǎn)至A點(diǎn)轉(zhuǎn)換；輸出使能為低電平、方向控制信號(hào)為高電平時(shí)，提供A點(diǎn)至B點(diǎn)轉(zhuǎn)換；而在輸出使能為高電平時(shí)，A點(diǎn)至B點(diǎn)方向和B點(diǎn)至A點(diǎn)方向均處于高阻態(tài)，相當(dāng)于沒有接通。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用是以字節(jié)(byte)訪問的存儲(chǔ)器及I/O器件。

帶OE和DIR控制的電平轉(zhuǎn)換電路，不同的器件會(huì)要求將控制信號(hào)接到不同的電源域（High Side或Low Side）：

• TI/NXP PCA9306A EN control signal follows VREF2 (High Side).
• TI TXB/TXS1002 EN control signal follows VCCA (Low Side).
• TI SN74AVC2T245 DIR control signal follows VCCA.
• TI SN74AVC2T245 OE and DIR control signals follow VCCA.
• On-Semiconductor NLSX5102 EN control signal follows VL.

6、自適應(yīng)雙向電平轉(zhuǎn)換
自動(dòng)感應(yīng)雙向電平轉(zhuǎn)換包括兩種類型：一種是基于BUFFER緩沖的結(jié)構(gòu)，主要用于推挽型輸出的電路；另一種是基于FET開關(guān)的結(jié)構(gòu)，主要用于開漏輸出的電路。

推挽型電平轉(zhuǎn)換block diagram

開漏型電平轉(zhuǎn)換block diagram

6.1、推挽型自動(dòng)感應(yīng)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換

推挽型輸出的自動(dòng)感測(cè)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的工作原理是：

• 使能(EN)引腳為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于待機(jī)狀態(tài)；
• EN引腳為高電平、I/O電平不變時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)態(tài)；
• EN引腳為高電平、I/O電平變化時(shí)，轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到變化，并產(chǎn)生脈沖。

典型的自動(dòng)感測(cè)方向雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器(推挽型輸出)有安森美半導(dǎo)體的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等，TI的TXB010x系列。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用包括通用異步收發(fā)器(UART)、USB端口、4線SPI端口和3線SPI端口等雙工的總線。

6.2、推挽型自動(dòng)感應(yīng)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換

用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動(dòng)感測(cè)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器同樣包含3個(gè)狀態(tài)：

• EN引腳為高電平、NMOS導(dǎo)通時(shí)，處于工作狀態(tài)，輸入端I/O電平下拉至地，即輸入低電平；
• EN引腳為高電平、NMOS處于高阻態(tài)時(shí)，處于工作狀態(tài)，輸出端I/O電平上拉至VCC，即輸入高電平；
• EN引腳為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于待機(jī)狀態(tài)。

典型的用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動(dòng)感測(cè)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器有如安森美半導(dǎo)體的NLSX4373MUTAG、NLSX4348FCT1G和NSLX4378BFCT1G等，TI的TXS010x系列（既可用于推挽，也可用于開漏）等。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用包括I2C總線、用戶識(shí)別模塊(SIM)卡、單線(1-Wire)總線、顯示模塊、安全數(shù)字輸入輸出(SDIO)卡等。

開漏電平轉(zhuǎn)換電路中多了一個(gè)one shot加速電路，one shot電路的主要功能是加速上升/下降沿，當(dāng)輸入端（假設(shè)為A端）上升到邏輯門限時(shí)，輸出端（假設(shè)為B端）的加速電路打開Pass-FET開關(guān)，持續(xù)一段時(shí)間使輸出電壓快速上升到輸出高電平。反之當(dāng)B端為輸入時(shí)，通過A端的加速電路和Pass-FET開關(guān)實(shí)現(xiàn)加速，從而實(shí)現(xiàn)雙向功能。

one shot是一個(gè)邊沿觸發(fā)的電路，在上升或下降沿瞬間打開MOS管（開啟時(shí)間約3.5~4.5ns），使得信號(hào)可以快速上升或下降，提高線路的反應(yīng)速度。

最后根據(jù)市面上常用的一些雙向電平轉(zhuǎn)換芯片，大致進(jìn)行一個(gè)羅列，主要從轉(zhuǎn)換速率、CL等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比如下表。

最大數(shù)據(jù)速率依供電電壓，負(fù)載電容和其他一些條件的變化而不同。

最大負(fù)載電容很少直接標(biāo)注出，但卻是選擇邏輯電平轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵。對(duì)于那些最大負(fù)載電容沒有直接標(biāo)注出的器件，數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)識(shí)的數(shù)值是用來生成典型工作曲線的最大電容值。“N/A”表示最大電容值在數(shù)據(jù)手冊(cè)沒有標(biāo)識(shí)。所有數(shù)據(jù)手冊(cè)中的測(cè)試的條件都是CL=15pF，如下幾個(gè)圖就是TXS系列芯片的測(cè)試條件。

本篇主要介紹邏輯互連中的電平轉(zhuǎn)換問題，從單向電平轉(zhuǎn)換、帶方向控制的雙向電平轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)的雙向電平轉(zhuǎn)換幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹，并介紹了相關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本原理及應(yīng)用場(chǎng)合。

邏輯電平系列文章就此告一段落，大致介紹了邏輯電平相關(guān)的基本概念，各種常見的單端和差分邏輯電平，其中重點(diǎn)介紹了CMOS的閂鎖效應(yīng)及防護(hù)措施，之后介紹了邏輯電平的互連，包括單端和差分，以及一些具有特殊功能的邏輯互連，最后介紹了邏輯互連中的電流倒灌和電平轉(zhuǎn)換問題。

編輯：hfy