什么是電平轉(zhuǎn)換器

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　　電平轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換裝置，電平轉(zhuǎn)換分為單向轉(zhuǎn)換和雙向轉(zhuǎn)換，還有單電源和雙電源轉(zhuǎn)換，雙電源轉(zhuǎn)換采用雙軌方案具有滿足各方面性能的要求。
& |; `$ d+ a$ Q1 e, N: ?/ a) B1 I　　在新一代電子電路設(shè)計(jì)中， 隨著低電壓邏輯的引入，系統(tǒng)內(nèi)部常常出現(xiàn)輸入/ 輸出邏輯不協(xié)調(diào)的問(wèn)題， 從而提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如：當(dāng)1. 8V的數(shù)字電路與工作在3. 3V 的模擬電路進(jìn)行通信時(shí)，需要首先解決兩種電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，這時(shí)就需要電平轉(zhuǎn)換器。
　　在新一代電子電路設(shè)計(jì)中, 隨著低電壓邏輯的引入,系統(tǒng)內(nèi)部常常出現(xiàn)輸入/ 輸出邏輯不協(xié)調(diào)的問(wèn)題, 從而提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如, 當(dāng)1. 8V的數(shù)字電路與工作在3. 3V 的模擬電路進(jìn)行通信時(shí),需要首先解決兩種電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題,這時(shí)就需要電平轉(zhuǎn)換器。
& y9 z/ Y& z0 d% I　　隨著不同工作電壓的數(shù)字IC 的不斷涌現(xiàn),邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性更加突出, 電平轉(zhuǎn)換方式也將隨邏輯電壓、數(shù)據(jù)總線的形式(例如4 線SPI、32 位并行數(shù)據(jù)總線等) 以及數(shù)據(jù)傳輸速率的不同而改變�，F(xiàn)在雖然許多邏輯芯片都能實(shí)現(xiàn)較高的邏輯電平至較低邏輯電平的轉(zhuǎn)換(如將5V 電平轉(zhuǎn)換至3V 電平) ,但極少有邏輯電路芯片能夠?qū)⑤^低的邏輯電平轉(zhuǎn)換成較高的邏輯電平(如將3V邏輯轉(zhuǎn)換至5V邏輯) 。另外,電平轉(zhuǎn)換器雖然也可以用晶體管甚至電阻———二極管的組合來(lái)實(shí)現(xiàn), 但因受寄生電容的影響,這些方法大大限制了數(shù)據(jù)的傳輸速率。盡管寬字節(jié)的電平轉(zhuǎn)換器已經(jīng)商用化, 但這些產(chǎn)品不是針對(duì)數(shù)據(jù)速率低于20Mbps 的串行總線(SPITM、I2CTM、USB 等) 優(yōu)化的, 這些器件具有較大的封裝尺寸、較多的引腳數(shù)和I/ O 方向控制引腳,因而不適合小型串行或外設(shè)接口和更高速率的總線(如以太網(wǎng)、LVDS、SCSI等) 。
　　很多電子系統(tǒng)繼續(xù)向更低的電壓信號(hào)水平轉(zhuǎn)移。這個(gè)發(fā)展潮流背后的動(dòng)力是對(duì)減少功耗的需求。更快的整流速度和降低信號(hào)噪聲等方面的進(jìn)步既方便了設(shè)計(jì)者，也向他們提出了新的挑戰(zhàn)。 微處理器在向較低的電壓水平進(jìn)軍的過(guò)程中一馬當(dāng)先。處理器I/O電壓正從1.8V轉(zhuǎn)移到1.5V，而內(nèi)核電壓能夠低于1V。下一代微處理器甚至將采用更低的電壓。外圍設(shè)備組件的電壓雖然也在降低，但水平通常落后于處理器一代左右。電壓降低方面的發(fā)展不均帶來(lái)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須解決的關(guān)鍵性難題——如何在信號(hào)電平之間進(jìn)行可靠的轉(zhuǎn)換。正確的信號(hào)電平可以保證系統(tǒng)的可靠工作，它們能夠防止敏感IC因過(guò)高或者過(guò)低的電壓條件而受損。目前電平轉(zhuǎn)換分為單向轉(zhuǎn)換和雙向轉(zhuǎn)換，還有單電源和雙電源轉(zhuǎn)換，雙電源轉(zhuǎn)換采用雙軌方案具有滿足各方面性能的要求。
　　SPI 的時(shí)鐘速率可超出20Mbps ,并由CMOS 推挽式邏輯輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯蜗蛐院?jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。由于不必考慮數(shù)據(jù)在單條信號(hào)線上的雙向傳輸問(wèn)題,因此,可以利用圖示的簡(jiǎn)單電阻———二極管方案或晶體管方案。
7 S0 e' Y; U- w% R3 L0 b　　雙向總線電平轉(zhuǎn)換需要考慮在單條信號(hào)線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,這在具體實(shí)施時(shí)比較困難,電阻———二極管結(jié)構(gòu)或單晶體管由于受其固有的單向傳輸特性的制約而無(wú)法勝任這項(xiàng)工作。I2C、SMBus、Dallas 半導(dǎo)體公司的1 - wire 均為雙向傳輸總線, 同時(shí)都是漏極開(kāi)路I/ O 拓?fù)洹Ｆ渲蠭2C具有三種速率范圍,分別為低于100kbps 的標(biāo)準(zhǔn)模式、低于400kbps的快速模式和低于3. 4Mbps 的高速模式。
　　在單向電平轉(zhuǎn)換器件中, 對(duì)于那些能夠?qū)⑤^高邏輯電平轉(zhuǎn)換成較低邏輯電平的器件, IC制造商規(guī)定了器件所允許的輸入范圍,在規(guī)定的輸入范圍內(nèi),器件能夠?qū)⑵漭斎肭段辉谶^(guò)壓容限內(nèi)。由于具有輸入過(guò)壓保護(hù)的邏輯器件能夠承受的輸入電壓高于其供電電壓,因此,這些器件簡(jiǎn)化了高邏輯電平至較低邏輯電平(Vcc 邏輯電平) 的轉(zhuǎn)換方案。而在高扇出或高容性負(fù)載連接器的設(shè)計(jì)中, 任何邏輯器件在降低電源電壓的同時(shí),其輸出驅(qū)動(dòng)能力也隨之降低,只有3. 3V CMOS/ TTL 與5V標(biāo)準(zhǔn)TTL 之間的轉(zhuǎn)換是一個(gè)特例。因?yàn)?. 3V 邏輯與5V 邏輯的門(mén)限是相同的。SPI 總線既需要較高邏輯電平至較低邏輯電平的轉(zhuǎn)換, 也需要將較低邏輯電平轉(zhuǎn)換到較高的邏輯電平。例如在處理器采用1. 8V 邏輯而外設(shè)邏輯為3. 3V時(shí)。當(dāng)然, 利用上述分立方案也可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換, 但MAX1840/ MAX1841 或MAX3390 等單片方案則可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,如圖所示：
　　在通過(guò)并行總線進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí), 由于通常已存在WR 和RD 信號(hào), 因而可以采用總線開(kāi)關(guān)(如74CBTB3384) 來(lái)實(shí)現(xiàn)不同邏輯電平之間的數(shù)據(jù)連接。對(duì)于單總線或2 線接口,一般需要考慮兩個(gè)問(wèn)題:一是要有單獨(dú)的使能控制引腳來(lái)控制數(shù)據(jù)流向(占用有效的控制端口) ,二是芯片尺寸較大(占據(jù)較大的線路板尺寸) 。任何設(shè)計(jì)都存在正、反兩個(gè)方面的影響,但設(shè)計(jì)人員通常希望其能夠工作在任何邏輯電平,也就是希望其是一個(gè)既可實(shí)現(xiàn)由高電壓邏輯至低電壓邏輯的轉(zhuǎn)換,也可實(shí)現(xiàn)低電壓邏輯至高電壓邏輯的轉(zhuǎn)換, 既可完成單向電平轉(zhuǎn)換, 也能完成雙向電平轉(zhuǎn)換的通用器件。新一代雙向電平轉(zhuǎn)換器MAX3370 即可勝任上述工作, 無(wú)論它工作在低電壓邏輯, 還是工作在高電壓邏輯,均可依靠外部輸出驅(qū)動(dòng)吸入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的柵極傳輸(圖3) 。這種結(jié)構(gòu)使該器件既可工作于漏極開(kāi)路輸出級(jí), 也可工作于推挽式輸出級(jí)。而且,MAX3370 具有相當(dāng)?shù)偷膶?dǎo)通電阻(低于135Ω) ,對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的影響很小。下圖是MAX3770 的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 該器件具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn): 首先對(duì)于漏級(jí)開(kāi)路拓?fù)? MAX3370 內(nèi)部的10kΩ 上拉電阻與“加速”開(kāi)關(guān)的并聯(lián)電路既省去了外部上拉元件, 也減小了由于RC 時(shí)間常數(shù)造成的紋波。在大多數(shù)漏極開(kāi)路輸出電路中,數(shù)據(jù)速率受RC 時(shí)間常數(shù)的影響較大。而采用獨(dú)特“加速”結(jié)構(gòu)的MAX3770 則大大提高了數(shù)據(jù)上升沿的上拉速,減小了容性負(fù)載的影響, 其允許數(shù)據(jù)速率高達(dá)2Mbps ,因而大大改善了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能; 其次, 由于MAX3370 器件采用的是微型SC70 封裝,因此可有效節(jié)省線路板的空間。
　　MAX3370 可以實(shí)現(xiàn)最低1. 2V、最高5. 5V 邏輯電平的轉(zhuǎn)換, 能夠滿足絕大多數(shù)設(shè)備對(duì)電平轉(zhuǎn)換的要求。需要說(shuō)明的是: MAX3370 僅提供單線通用邏輯電平轉(zhuǎn)換。如果設(shè)計(jì)中存在多個(gè)I/ O 口線,則應(yīng)參照表1 選擇其它芯片。隨著系統(tǒng)I/ O 電壓數(shù)量的增多, 電平轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜。設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮容性負(fù)載、Vcc壓差的幅度和數(shù)據(jù)速率等問(wèn)題。對(duì)于從較高邏輯電平至較低邏輯電平的轉(zhuǎn)換, 只要保證電平轉(zhuǎn)換中的Vcc 壓差符合器件所允許的容限即可。而在處理低電壓邏輯至高電壓邏輯的轉(zhuǎn)換, 且同時(shí)存在較大的Vcc 壓差時(shí),問(wèn)題將變得非常棘手。雙向電平轉(zhuǎn)換或漏極開(kāi)路輸出結(jié)構(gòu)都對(duì)數(shù)據(jù)速率的制約較大, 而Maxim的電平轉(zhuǎn)換器則利用其獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了電平轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)。它能夠在較寬的電壓范圍實(shí)現(xiàn)單向、雙向電平轉(zhuǎn)換,并可提供漏極開(kāi)路或推挽式輸出。這些器件采用微小的封裝形式, 不需要任何外部元件,同時(shí)可大大節(jié)省線路板空間。
, W" L+ \* [- J, J" {1 ~/ B8 `3 @% o　　雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器TXB0108RGYR http://www.dzsc.com/ic-detail/9_4704.html的特點(diǎn)
　　1●1.2VTO3.6V ONA端口和1.65V至5.5V ONB端口（VCCA≤VCCE）2●VCC功能失效-如果任一VCC輸入處于3 GND，所有輸出均處于高電壓狀態(tài)4●參考VCCA的OE輸入電路
3 a3 T0 Q1 o+ U$ U　　5●低功耗，最大LCC為4μA
0 {! L8 V& P1 n) m3 a　　6●LOF支持部分?jǐn)嚯娔Ｊ讲僮?br /> 7 {$ j- g" J* @0 Q: l　　●閉鎖性能超過(guò)100 mA/7 JASD 78，二級(jí)8
: r2 \& M6 P+ |1 w7 P+ g: C　　●ESD保護(hù)超過(guò)JESD 22
& Y& Q9 E- u* D" E, w　　9 A端口
" v+ h; [/ Q8 c　　10 2000-V人體模型（A114-B）-1000-V充電裝置模型（C101）-B端口11一+15-kv人體模型（A114-B）一+8-kv人體模型（A114-B）（僅YZP包）12-1000-V充電裝置型號(hào)（C101）13 2應(yīng)用14款手機(jī)
( B; n& J5 {  |6 J( \　　15●智能手機(jī)
9 ]1 h& ]% {! a% Q7 `. L　　16節(jié)片
　　17●臺(tái)式電腦
7 U3 u% i3 C5 Z# A, n) Y, D, {/ q. K1 i# T　　此8位非轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)單獨(dú)的可配置電源軌。A端口用于跟蹤VCCA。VCCA接受從1.2 V到3.6 V的任何電源電壓。B端口設(shè)計(jì)用于跟蹤VCCE。VCCB接受從1.65 V到5.5 V的任何電源電壓。這允許在1.2-V、1.5-V、1.8-V、2.5-V、3.3-V和5-V電壓節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通用低壓雙向轉(zhuǎn)換。VCCA不應(yīng)超過(guò)VCCB。當(dāng)輸出使能（OE）輸入低時(shí)，所有輸出均處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。
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