互連電平轉換及相關轉換技術的基本原理及應用場合

1、邏輯電平轉換概述

電平轉換在實際電路設計中常常會用到，不同種類邏輯電平之間的轉換一般通過特定邏輯功能器件實現(xiàn)（如使用MAX232實現(xiàn)TTL轉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越來越低（好多控制器對外接口都直接輸出1.8V或更低了），而同種邏輯電平、不同電壓等級之間的轉換就變得更為常見了。

TI的邏輯器件列表

2、電平轉換分類

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

電平轉換電路類型

二極管電平轉換

OC/OD電平轉換

Pass Gate電平轉換

3、電平轉換器件選型

邏輯電平轉換都會消耗功率。例如，從低到高的電平轉換中，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)邏輯電平轉換器，在邏輯電源電壓(VL)等于Vin時，ΔICC就為0，從而降低功耗。

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

• 信號特性（OD或PP）；
• 傳輸速度；
• 最大負載電容；
• 傳輸方向（是否需要帶方向控制）；
• 雙方信號工作電壓范圍（有沒有High Side和Low Side的區(qū)別）；
• 當輸入高電平電壓高于器件VCC時，器件是否能承受。當輸入高電平電壓低于輸出端VIH時輸出是否能識別。
• 使用單電源時，高電壓端驅動低電壓端時有沒有5V Tolerance問題，低電壓端驅動高電壓端時VIH是否滿足；
• 控制信號跟隨的電源域；
• 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、單向電平轉換
單向邏輯電平轉換的原理就是在輸出使能(Output Enable)有效時，提供A點至B點轉換；而在輸出使能無效時，A、B之間呈現(xiàn)高阻態(tài)，通常當作電阻無窮大來處理，相當于沒有接通。常見的雙電源單向邏輯電平轉換器有如安森美半導體的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。這些雙電源單向邏輯電平轉換器的應用包括通用輸入輸出(GPIO)端口、串行外設接口(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換
帶方向控制引腳的雙向邏輯電平轉換器的工作原理是：輸出使能和方向控制信號均為低電平時，提供B點至A點轉換；輸出使能為低電平、方向控制信號為高電平時，提供A點至B點轉換；而在輸出使能為高電平時，A點至B點方向和B點至A點方向均處于高阻態(tài)，相當于沒有接通。這類轉換器的常見應用是以字節(jié)(byte)訪問的存儲器及I/O器件。

帶OE和DIR控制的電平轉換電路，不同的器件會要求將控制信號接到不同的電源域（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、自適應雙向電平轉換
自動感應雙向電平轉換包括兩種類型：一種是基于BUFFER緩沖的結構，主要用于推挽型輸出的電路；另一種是基于FET開關的結構，主要用于開漏輸出的電路。

推挽型電平轉換block diagram

開漏型電平轉換block diagram

6.1、推挽型自動感應雙向邏輯電平轉換

推挽型輸出的自動感測雙向邏輯電平轉換器的工作原理是：

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

典型的自動感測方向雙向邏輯電平轉換器(推挽型輸出)有安森美半導體的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等，TI的TXB010x系列。這類轉換器的常見應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、推挽型自動感應雙向邏輯電平轉換

用于漏極開路應用(如I2C)的自動感測雙向邏輯電平轉換器同樣包含3個狀態(tài)：

• EN引腳為高電平、NMOS導通時，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，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，轉換器處于待機狀態(tài)。

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

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

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

最后根據(jù)市面上常用的一些雙向電平轉換芯片，大致進行一個羅列，主要從轉換速率、CL等關鍵參數(shù)進行對比如下表。

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

最大負載電容很少直接標注出，但卻是選擇邏輯電平轉換器的關鍵。對于那些最大負載電容沒有直接標注出的器件，數(shù)據(jù)手冊標識的數(shù)值是用來生成典型工作曲線的最大電容值?！癗/A”表示最大電容值在數(shù)據(jù)手冊沒有標識。所有數(shù)據(jù)手冊中的測試的條件都是CL=15pF，如下幾個圖就是TXS系列芯片的測試條件。

本篇主要介紹邏輯互連中的電平轉換問題，從單向電平轉換、帶方向控制的雙向電平轉換、自適應的雙向電平轉換幾個方面進行了介紹，并介紹了相關轉換技術的基本原理及應用場合。

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的基本概念，各種常見的單端和差分邏輯電平，其中重點介紹了CMOS的閂鎖效應及防護措施，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換問題。

編輯：hfy