什么是三態(tài)電路？三態(tài)電路及其使用

什么是三態(tài)電路

一般來(lái)說(shuō)，我們認(rèn)為CMOS數(shù)字電路的輸出的穩(wěn)定狀態(tài)只有2種，就是邏輯0和邏輯1，從模擬信號(hào)量來(lái)說(shuō)，就是0V和VDD。

那么有些小伙伴會(huì)說(shuō)了，實(shí)際上輸出狀態(tài)還有Z態(tài)和X態(tài)。

Z態(tài)表示沒(méi)有驅(qū)動(dòng)時(shí)信號(hào)的輸出，又被表示為高阻狀態(tài)High-Z，在仿真波形上，喜歡用一條處于中間位置的線條表示，有的工具用黃色線條，有些工具用紅色線條。

而X態(tài)，則表示輸出狀態(tài)不是邏輯0，也不是邏輯1，在仿真波形上，往往用一種紅色塊表示。如下圖所示：

從仿真信號(hào)來(lái)看，這樣的描述是為了區(qū)分穩(wěn)定輸出的信號(hào)邏輯狀態(tài)，但客觀世界里，并不存在X態(tài)以及Z態(tài)這兩種信號(hào)狀態(tài)。只是在不穩(wěn)定的情況下，由于外界不確定的驅(qū)動(dòng)因素，會(huì)使得輸出狀態(tài)向邏輯0或邏輯1漂移。

一般來(lái)說(shuō)如果想避免這種Z態(tài)或X態(tài)，那么就必須確保信號(hào)有，且只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)源在驅(qū)動(dòng)。（亞穩(wěn)態(tài)也是導(dǎo)致Z態(tài)或X態(tài)的一種原因，但在那個(gè)時(shí)候，其實(shí)就是存在多個(gè)驅(qū)動(dòng)，或沒(méi)有驅(qū)動(dòng)的情況）

峰回路轉(zhuǎn)，那么這里想說(shuō)的三態(tài)電路，又是一個(gè)什么鬼呢？我們看下面這個(gè)電路結(jié)構(gòu)。

上圖所示，就是一種三態(tài)輸出電路，當(dāng)Enable為VDD的時(shí)候，輸出電壓Vout與A端輸入電壓保持一個(gè)邏輯電平轉(zhuǎn)換。但是當(dāng)Enable控制信號(hào)為0V，也就是邏輯0時(shí)，無(wú)論輸入電壓A端怎么變化，輸出反相器的PMOS和NMOS都處于關(guān)閉狀態(tài)，Vout就沒(méi)有驅(qū)動(dòng)了。

剛才我們說(shuō)過(guò)，如果信號(hào)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，就是輸出高阻態(tài)High-Z，那么Enable為邏輯0的時(shí)候，Vout就是High-Z。

這種可以輸出第三種邏輯狀態(tài)的電路，我們稱之為三態(tài)電路。在數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)中，原則上只有IO電路上可以使用，常規(guī)的RTL設(shè)計(jì)，是不允許使用的。

如何讓High-Z從不穩(wěn)定走向穩(wěn)定

既然High-Z是一種因?yàn)闆](méi)有驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致無(wú)法使用的不穩(wěn)定信號(hào)邏輯，那么又怎樣去使用呢？

因?yàn)槿龖B(tài)電路常被用于IO Buffer的電路中，因此一般來(lái)說(shuō)，我們會(huì)在Vout輸出上加一個(gè)上拉電路或下拉電路。當(dāng)Enable無(wú)效時(shí)，Vout通過(guò)一個(gè)弱上拉或弱下拉連接到VDD或地上，使其穩(wěn)定到VDD或0V。

如下所示，是某工藝下數(shù)字邏輯IO Cell的電路示意圖，當(dāng)OEN為1'b1的時(shí)候，A端數(shù)據(jù)是無(wú)法送到P（即PAD）端的，但通過(guò)配置PUN為邏輯0的時(shí)候，則P端被拉到了VDD，即邏輯1上，確保了穩(wěn)定的輸出：

FPGA上如何使用三態(tài)電路作為IO

一般來(lái)說(shuō)，ASIC設(shè)計(jì)時(shí)，有專門的IO Buffer可以實(shí)現(xiàn)三態(tài)IO電路，實(shí)例化在電路中即可。但FPGA沒(méi)有，可以使用以下Verilog HDL實(shí)現(xiàn)：

注意這只適用于FPGA，同時(shí)要在IO約束文件里設(shè)置PULLUP或PULLDOWN可配置上拉或下拉。

使用BUSKEEPER對(duì)三態(tài)輸出做保持

有些早期設(shè)計(jì)的片內(nèi)嵌入式存儲(chǔ)電路，其輸出口仍然會(huì)使用三態(tài)輸出，原本是為了降低功耗（還沒(méi)輸出時(shí)，關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)管），但這也導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)High-Z，無(wú)法直接連接到數(shù)字邏輯上。

這個(gè)時(shí)候就可以在每個(gè)可能出現(xiàn)三態(tài)邏輯的輸出信號(hào)上，接一個(gè)叫做buskeeper的電路邏輯，有時(shí)候又叫busholder。

Buskeeper用了一對(duì)驅(qū)動(dòng)力大體一致的反相器組成反饋，當(dāng)內(nèi)部關(guān)閉輸出后，原本在信號(hào)上的邏輯1或邏輯0，就可以被保持住。確保數(shù)字邏輯中不存在高阻或不定態(tài)。

注意驅(qū)動(dòng)能力

無(wú)論上拉或下拉，我們都會(huì)說(shuō) 弱上拉 ，或 弱下拉 ，這是什么原因呢？

我們看下面這個(gè)IO，當(dāng)輸出使能關(guān)閉后，DRVP以及DRVN都處于OFF狀態(tài)，VDDPST通過(guò)上拉PMOS，PUMOS，為電容充電，使得PAD達(dá)到VDDPST的電壓值，也就是邏輯1。

如果打開輸出使能，并想輸出邏輯1，如下圖所示，因?yàn)轵?qū)動(dòng)管DRVN關(guān)閉，因此VDDPST通過(guò)DRVP以及PUMOS同時(shí)向電容充電，時(shí)PAD達(dá)到邏輯1。這個(gè)還是比較好理解的。

但是如果我們想輸出邏輯0呢？由于上拉管PUMOS與驅(qū)動(dòng)管DRVN同時(shí)打開，那么同時(shí)會(huì)有VDDPST通過(guò)PUMOS向電容充電，以及電容通過(guò)DRVN向地放電的兩條通路。如果想讓PAD達(dá)到邏輯0，那么必須是放電通路的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電通路。

由此可見，必須使用較大的上拉或下拉電阻，或者使用驅(qū)動(dòng)能力較弱的上拉或下拉晶體管，才更可能使PAD在輸出邏輯0的時(shí)候，更容易接近于地電平。

所謂驅(qū)動(dòng)力，其實(shí)就是電流，對(duì)于電阻來(lái)說(shuō)，電流就是電壓與電阻的比值：

I=（VDDPST-VPAD）/R（I是驅(qū)動(dòng)電流，VDDPST是IO的供電電壓，而VPAD是PAD上的電壓，理想結(jié)果是無(wú)限趨近于0V，R則是電阻的阻值）

由此可見，在假設(shè)VPAD無(wú)限接近于0，則希望電流越?。?qū)動(dòng)力越?。?，則上拉或下拉電阻的阻值就需要越大。

而對(duì)于MOS來(lái)說(shuō)，如果假設(shè)VPAD的電壓無(wú)限接近于VDDPST或0V，則上拉或下拉晶體管處于飽和狀態(tài)，可以提供電流的公式為下圖中飽和區(qū)的計(jì)算方式：

根據(jù)公式可以看出，如果在一個(gè)特定工藝的芯片內(nèi)，想減少電流，就是減小寬長(zhǎng)比W/L的數(shù)值。

需要注意，因?yàn)镻MOS的遷移率只有NMOS大概一半的樣子，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，下拉器件的選擇尤為重要。經(jīng)驗(yàn)不足的工程師，往往會(huì)在下拉驅(qū)動(dòng)選擇上翻跟頭。

給大家一個(gè)問(wèn)題思考，如果芯片內(nèi)的下拉驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，后期芯片無(wú)法輸出穩(wěn)定的邏輯1，我們能不能通過(guò)板級(jí)設(shè)計(jì)解決這個(gè)問(wèn)題呢？

電平適配電路

我們一般都認(rèn)為IO的輸出電壓就是芯片供電的Post-Drive電壓，如果驅(qū)動(dòng)芯片A的Post-Drive電壓VDDPSTA是2.5V，則VOH為2.5V，但接收芯片B的Post-Drive電壓VDDPSTB是3.3V，VIL為2.7V。如何讓接收信號(hào)穩(wěn)定的接收到驅(qū)動(dòng)邏輯電平呢？

這里可以巧用三態(tài)IO，當(dāng)CHIPA要輸出邏輯1的時(shí)候，不是通過(guò)驅(qū)動(dòng)管輸出邏輯1，而是輸出一個(gè)High-Z狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候PAD上的信號(hào)就沒(méi)有驅(qū)動(dòng)了。在片外增加一個(gè)上拉電阻，并連接到VDDPSTB上，則此時(shí)PAD上的電壓VPAD就會(huì)因?yàn)閂DDPSTB通過(guò)板級(jí)上拉電阻向電容充電而上升到VDDPSTB上，并穩(wěn)定為CHIPB提供邏輯1。

但也要注意一個(gè)問(wèn)題，就是如果VDDPSTB比VDDPSTA高的太多，那么就要注意會(huì)不會(huì)因?yàn)閂DDPSTB到地的電壓過(guò)大，或者VDDPSTB到VDDPSTA的電壓差過(guò)大燒壞了DRVN或DRVP。

通過(guò)上拉電阻輸出邏輯1，或者通過(guò)下拉電阻輸出邏輯0的三態(tài)IO Buffer，在GPIO以及I2C等通訊接口上是經(jīng)常被用到的。具體電路，具體分析。