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逻辑电平兼容与逻辑电平转换


逻辑电平兼容与逻辑电平转换 BBS 上询问逻辑电平转换的人很多,几乎数日就冒一次头.而且电平转 换的方法也不少,各有特点.我先做个简单实用的总结,省得老是重复讨论 同样的问题. 1. 常用的电平转换方案 (1) 晶体管+上拉电阻法 就是一个双极型三极管或 MOSFET,C/D 极接一个上拉电阻到正电源,输 入电平很灵活,输出电平大致就是正电源电平. (2) OC/OD 器件+上拉电阻法 跟 1) 类似.适用于器件输出刚好为 OC/OD 的场合. (3) 74xHCT 系列芯片升压 (3.3V→5V) 凡 是 输 入 与 5V TTL 电 平 兼 容 的 5V CMOS 器 件 都 可 以 用 作 3.3V→5V 电平转换. ——这是由于 3.3V CMOS 的电平刚好和 5V TTL 电平兼容(巧合),而 CMOS 的输出电平总是接近电源电平的. 廉价的选择如 74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/...) 系列 (那个字母 T 就表示 TTL 兼容). (4) 超限输入降压法 (5V→3.3V, 3.3V→1.8V, ...) 凡是允许输入电平超过电源的逻辑器件,都可以用作降低电平. 这里的"超限"是指超过电源,许多较古老的器件都不允许输入电压超过 电源,但越来越多的新器件取消了这个限制 (改变了输入级保护电路). 例如,74AHC/VHC 系列芯片,其 datasheets 明确注明"输入电压范围为

0~5.5V",如果采用 3.3V 供电,就可以实现 5V→3.3V 电平转换. (5) 专用电平转换芯片 最著名的就是 164245,不仅可以用作升压/降压,而且允许两边电源不同 步.这是最通用的电平转换方案,但是也是很昂贵的 (俺前不久买还是 ¥45/片,虽是零售,也贵的吓人),因此若非必要,最好用前两个方案. (6) 电阻分压法 最简单的降低电平的方法.5V 电平,经 1.6k+3.3k 电阻分压,就是 3.3V. (7) 限流电阻法 如果嫌上面的两个电阻太多,有时还可以只串联一个限流电阻.某些芯片 虽然原则上不允许输入电平超过电源,但只要串联一个限流电阻,保证输 入保护电流不超过极限(如 74HC 系列为 20mA),仍然是安全的. (8) 无为而无不为法 只要掌握了电平兼容的规律.某些场合,根本就不需要特别的转换.例如, 电路中用到了某种 5V 逻辑器件,其输入是 3.3V 电平,只要在选择器件 时选择输入为 TTL 兼容的,就不需要任何转换,这相当于隐含适用了方 法 3). (9) 比较器法 算是凑数,有人提出用这个而已,还有什么运放法就太恶搞了. 2. 电平转换的"五要素" (1) 电平兼容 解决电平转换问题,最根本的就是要解决逻辑器件接口的电平兼容问题. 而电平兼容原则就两条:

VOH > VIH VOL VN+ |VOL-VIL| > VN其中,VN+和 VN-表示正负噪声容限. 只要掌握这个原则,熟悉各类器件的输入输出特性,可以很自然地找到合 理方案,如前面的方案(3)(4)都是正确利用器件输入特性的例子. (2) 电源次序 多电源系统必须注意的问题.某些器件不允许输入电平超过电源,如果没 有电源时就加上输入,很可能损坏芯片.这种场合性能最好的办法可能就 是方案(5)——164245.如果速度允许,方案(1)(7)也可以考虑. (3) 速度/频率 某些转换方式影响工作速度,所以必须注意.像方案(1)(2)(6)(7),由于电阻 的存在,通过电阻给负载电容充电,必然会影响信号跳沿速度.为了提高速 度,就必须减小电阻,这又会造成功耗上升.这种场合方案(3)(4)是比较理 想的. (4) 输出驱动能力 如果需要一定的电流驱动能力,方案(1)(2)(6)(7)就都成问题了.这一条跟 上一条其实是一致的,因为速度问题的关键就是对负载电容的充电能力. (5) 路数 某些方案元器件较多,或者布线不方便,路数多了就成问题了.例如总线地 址 和 数 据 的 转 换 , 显 然 应 该 用 方 案 (3)(4), 采 用 总 线 缓 冲 器 芯 片 (245,541,16245...),或者用方案(5). (6) 成本&供货

前面说的 164245 就存在这个问题."五要素"冒出第 6 个,因为这是非技术 因素,而且太根本了,以至于可以忽略.


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