如何解決不同電壓邏輯器件接口出現(xiàn)的一些基本問題

1 引言

近年來，隨著便攜式數(shù)字電子產(chǎn)品筆記本計算機、數(shù)字式移動電話、手持式測試儀表等的迅速發(fā)展，要求使用體積小、功耗低、電池耗電小的器件，數(shù)字系統(tǒng)的工作電壓已經(jīng)從5V降至3V甚至更低（例如2.5V和1.8V標準的引進）。但是目前仍有許多5V電源的邏輯器件和數(shù)字器件可用，因此在許多設(shè)計中3V（含3.3V）邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標準的引進，不同電源電壓邏輯器件問的接口問題會在很長一段時間內(nèi)存在。本文討論的是使用TTL和CMOS的3V和5V系統(tǒng)中邏輯器件間接口的基本概念和電路實例。理解了這些概念可避免不同電壓的邏輯器件接口時出現(xiàn)的問題和保證所設(shè)計的電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 邏輯電平不同，接口時出現(xiàn)的問題

在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時會存在以下3個主要問題：

加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓的限制問題；

兩個電源間電流的互串問題；

必須滿足的輸入轉(zhuǎn)換門限電平問題。

器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，則電流將會通過二極管或分離元件流向電源。例如3V器件的輸入端接上5V信號，則5V電源將會向3V電源充電。持續(xù)的電流將會損壞二極管和電路元件。

在等待或掉電方式時，3V電源降落到0V，大電流將流通到地，這使總線上的高電壓被下拉到地，這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的是：不管是在3V的工作狀態(tài)或是0V的等待狀態(tài)部不允許電流流向Vcc。

另外用5V的器件來驅(qū)動3V的器件有很多不同情況，同樣TTL和CMOS間的轉(zhuǎn)換電平也存在不同情況。驅(qū)動器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并要有足夠的容限和保證不損壞電路元件。

以上問題在詳細地分析一些具體電路后便會很清楚。

3 可用5V容限輸入的3V邏輯器件

3V的邏輯器件可以有5V輸入容限的器件是LVC、LVT、ALVT、LCX、LVX、等系列。此外，還有不帶總線保持輸入的飛利浦ALVC器件也是5V容限。

3.1 ESD保護電路

為了說清楚為什么3V器件可以有5V的輸入容限，首先介紹邏輯電路輸入端的靜電放電（ESD）保護電路的工作原理。

實際上數(shù)字電路的所有輸入端部有一個靜電放電（ESD）保護電路，如圖1（a）所示。傳統(tǒng)的CMOS電路通過接地的二極管D1、D2對負向高電壓限幅而實現(xiàn)保護，正向高電壓則由二極管D3鉗位。這種電路的缺點是為了防止電流流向Vcc電源，最大的輸入電壓被限制在Vcc+0.5V。對Vcc為3V的器件來說，當輸入端直接與大多數(shù)5V器件輸出端接口時允許的輸入電壓會太低。大多數(shù)5V系統(tǒng)加到輸入端的電壓可達3.6V以上。有些3V系統(tǒng)電路可以使用兩個MOS場效應(yīng)管或晶體管T1、T2代替圖1（a）中的D1、D2二極管，如圖1（b）所示。T1、T2的作用相當于快速齊納二極管對高電壓限幅。由于去掉了接到Vcc的二極管D3，因此最大輸入電壓不受Vcc的限制。典型情況下，這種電路的擊穿電壓在7-10V之間，因此可以適合任何5V系統(tǒng)的輸入電壓。

（a）傳統(tǒng)的ESD保護電路，輸入電壓被限制在Vcc+0.5V

（b）改進的ESD保護電路，輸入電壓不受Vcc限制

圖1 CMOS ESD保護電路

由上分析可知，改進后具有ESD保護電路的3V系統(tǒng)的輸入端可以與5V系統(tǒng)的輸出端接口。

3.2總線保持電路

總線保持電路就是有一個MOS場效應(yīng)管用作上拉或下拉器件，在輸入端浮空（高阻）的情況下保持輸入端處于最后有效的邏輯電平。圖2（a）中的電路為一LVC器件總線保持電路的例子。在該例子中制造商采取了改進措施而使其輸入端具有5V的容限。其基本原理如下：P溝道MOS場效應(yīng)管T1具有一個內(nèi)在的寄生二極管，它連接在漏極和襯底之間，通常源極與襯底是連在一起的，這就限制了輸入電壓不能高于Vcc+0.5V?，F(xiàn)在的措施是用常閉接點S1將源極與襯底相連，當輸入端電壓比Vcc高0.5V時，比較器使S2閉合，S1斷開，輸入端電流不會通過二極管流向Vcc而使輸入具有5V的容限。圖2（b）是LVT和ALVT器件總線保持電路的例子。這種電路用了一個串聯(lián)的肖特基二極管D，這樣就消除了從輸入到Vcc的電流通路，從而可以承受5V輸入電壓。對于3V的總線保持LVC、LVT和ALVT系列器件可以承受5V的輸入電壓。但對于3V的ALVC、VCX等系列器件則不能，它們的輸入電壓被限制在Vcc+0.5V。

（a）在LVC總線保持電路中，當輸入電壓上升超過Vcc時，比較器使S1開路，消除了至Vcc的電流通路

（b）LVT和ALVT器件，反向偏置的肖特基二極管斷開了到Vcc的電流通路

圖2具有總線保持電路的輸入端

下面討論輸出端的情況。圖3是用于3V CMOS器件的輸出電路的簡化形式。當輸出端電壓高于Vcc 0.5V（二極管壓降）時，P溝道MOS場效應(yīng)管T1的內(nèi)部二極管會形成一條從輸出端到Vcc的電流通路。所以這種電路在與5V器件相接時需要加保護電路。

圖3簡化的CMOS輸出級

圖4是一種帶保護電路的CMOS器件輸出電路。當輸出端電壓高于Vcc時，比較器使S1開路，S2閉合，使電流通路消失，這樣在三態(tài)方式時就能與5V器件相接。

圖4帶保護電路的CMOS輸出端

3.3 biCMOS輸出電路

LVT和ALVT器件的biCMOS輸出電路如圖5所示。它用雙極NPN晶體管和CMOS場效應(yīng)管來獲得輸出電壓擺幅達到電源電壓的要求。電流不會通過NPN雙極晶體管T1回流到Vcc，但在P溝道MOS場效應(yīng)管中的內(nèi)在二極管仍然會形成一條從輸出端到Vcc的電流通路（為了簡化，圖5中沒有畫出該二極管）。因此這種電路不能接高于Vcc的電壓。

圖5 biCMOS輸出電路

對圖5電路所加的保護電路，如圖6所示。增加了反向偏置的肖特基二極管D1，用以防止電流從輸出端流到Vcc。為了簡化，圖中沒有畫出雙極晶體管。圖6中的輸出端與5V驅(qū)動器共用一條總線。在三態(tài)方式時，電路可以得到保護。當出現(xiàn)總線爭奪即兩個驅(qū)動器部以高電平驅(qū)動總線時，比較器將P溝道MOS場效應(yīng)管T1斷開。當3V器件處于等待方式而3V電源為0時，比較器和肖特基二極管D1可以起保護作用。

圖6用比較器和反向偏置的肖特基二極管保護3V器件的輸出端

4 3V、5V混合系統(tǒng)中不同電平器件接口的4種情況

為了保證在混合電壓系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換的可靠性，必須滿足輸入轉(zhuǎn)換電平的要求，但又不能超過輸入電壓的限度。圖7就是各種轉(zhuǎn)換電平的例子：

TTL電平輸入高電平VIH 2V以上

輸入低電平VIL 0.8V以下。

CMOS電平VIH為0.7×Vcc以上

VIL為0.3×Vcc以下。

圖7 TTL及CMOS器件的轉(zhuǎn)換電平

例如Vcc為5V±0.5V的系統(tǒng)，CMOS的輸入電壓VIH至少是3.85V，而VIL必須小于1.35V。在3V/5V混合系統(tǒng)的設(shè)計中，必須討論以下4種信號電平的配置

5V TTL輸出驅(qū)動3V TTL輸入；

3V輸出驅(qū)動5V TTL輸入；

5V CMOS輸出驅(qū)動3V TTL輸入；

3V輸出驅(qū)動5V CMOS輸入。

（1）通常，5V TTL器件可以驅(qū)動3V TTL輸入，因為典型雙極晶體管的輸出并不能達到電源電壓幅度。當一個5V器件的輸出為高電平時，內(nèi)部壓降限制了輸出電壓。典型情況是Vcc-2VBE，即約3.6V。這樣工作通常不會引起5V電源的電流流向3V電源。但是，因為驅(qū)動器結(jié)構(gòu)會有所不同，因此必須控制驅(qū)動器的輸出不宜超過3.6V以防萬一。

（2）用3V器件驅(qū)動5V TTL的輸入端應(yīng)當是沒有困難的。不管是CMOS或biCMOS器件，3V器件實際上能輸出3V擺幅的電壓。對5V TTL輸入的高電平2V門限是容易滿足的。

（3）當用5V CMOS器件來驅(qū)動3V TTL輸入時，必須小心選擇。要選用的3V接收器件應(yīng)具有5V的容限。

（4）前面曾談到3V輸出可以驅(qū)動5V TTL器件輸入，但要注意對5V CMOS器件的輸入來說情況卻大不一樣。應(yīng)該記住3V輸出是不能可靠地驅(qū)動5V CMOS輸入的。在最壞的情況下，當Vcc=5.5V時所要求的VIH至少是3.85V，而3V器件是不能達到的。

5 兩種電平移位器件

上面討論了不同電平器件接口的4種情況，那么對于第4種情況該怎么辦？這里介紹兩種電平移位器件可以解決類似問題。

（1）雙電源電平移位器74LVC4245

74LVC4245是一種雙電源的電平移位器，如圖8所示。5V端用5V電源作為Vcc，而3V端則用3V作為Vcc。它的功能類似于常用的收發(fā)器74LVC245，所不同的是用兩個電源而不是一個電源。

74LVC4245的電平移位在其內(nèi)部進行。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅部能達到滿電源幅值，并且有很好的噪聲抑制性能。因此該器件用來驅(qū)動5V CMOS器件的輸入是很理想的。它的缺點是增加了功耗。

圖8 74LVC4245電平移位器

較為簡單的一種電平移位器件是74LVC07。它使用一個漏極開路緩沖器去驅(qū)動5V CMOS器件的輸入，如圖9所示。它的輸出端由一個上拉電阻R接到5V電源。

圖9 74LVC07電平移位器

6 結(jié)論

5V器件能和3V甚至更低電壓的器件共存于一個系統(tǒng)中。這種情況已經(jīng)存在并將存在相當長的時間。在設(shè)計這種系統(tǒng)時要分析其中邏輯器件的接口問題。其關(guān)鍵是理解和運用以上討論的基本概念以保證所設(shè)計的電路在不同電壓器件間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br /> 來源；21ic