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邏輯電平變換原則是訊號傳輸的速度決定著是否可以用簡單的三極體、二極體以及電阻簡單的元器件組合進行電平轉換,同時要考慮訊號的傳送還是接收還是雙向通訊,如果訊號是傳送以及接收兩部分分開,同時訊號傳輸速度不是很高的話可以考慮用簡單的電路進行電平轉換,有時候為了成本或者元器件選型情況用較為簡單的單向電平轉換電路,現在在電平轉換時候很多是選擇專門晶片。
1、常邏輯電平間的轉換方法:
(1) 電晶體+上拉電阻法
就是一個雙極型三極體或 MOSFET,C/D極接一個上拉電阻到正電源,輸入電平很靈活,輸出電平大致就是正電源電平。
(2) OC/OD 器件+上拉電阻法
跟第一種方法類似。適用於器件輸出剛好為 OC/OD (集電極開路漏極開路的場合。
(3) 74xHCT系列晶片升壓 (3.3V→5V)
凡是輸入與 5V TTL 電平相容的 5V CMOS 器件都可以用作 3.3V→5V 電平轉換。
——這是由於 3.3V CMOS 的電平剛好和5V TTL電平相容(巧合),而 CMOS 的輸出電平總是接近電源電平的。
廉價的選擇如 74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/...) 系列 (那個字母 T 就表示 TTL 相容)。
(4) 超限輸入降壓法 (5V→3.3V, 3.3V→1.8V, ...)
凡是允許輸入電平超過電源的邏輯器件,都可以用作降低電平。
這裡的"超限"是指超過電源,許多較古老的器件都不允許輸入電壓超過電源,但越來越多的新器件取消了這個限制 (改變了輸入級保護電路)。
例如,74AHC/VHC 系列晶片,其手冊中明確註明"輸入電壓範圍為0~5.5V",如果採用 3.3V 供電,就可以實現 5V→3.3V 電平轉換。
(5) 專用電平轉換晶片
最著名的就是 164245,不僅可以用作升壓/降壓,而且允許兩邊電源不同步。這是最通用的電平轉換方案,但是也是很昂貴的 (我前不久買還是¥45/片,雖是零售,也貴的嚇人),因此若非必要,最好不要用這種方案。
(6) 電阻分壓法
最簡單的降低電平的方法。5V電平,經1.6k+3.3k電阻分壓,就是3.3V。
(7) 限流電阻法
如果嫌上面的兩個電阻太多,有時還可以只串聯一個限流電阻。某些晶片雖然原則上不允許輸入電平超過電源,但只要串聯一個限流電阻,保證輸入保護電流不超過極限(如 74HC 系列為 20mA),仍然是安全的。
(8) 無為而無不為法
只要掌握了電平相容的規律。某些場合,根本就不需要特別的轉換。例如,電路中用到了某種 5V 邏輯器件,其輸入是 3.3V 電平,只要在選擇器件時選擇輸入為 TTL 相容的,就不需要任何轉換,這相當於隱含適用了方法3)。
(9) 比較器法
算是湊數,有人提出用這個而已,還有什麼運放法就太惡搞了。
2. 電平轉換的"五要素"
(1) 電平相容
解決電平轉換問題,最根本的就是要解決邏輯器件介面的電平相容問題。而電平相容原則就兩條:
VOH > VIH
VOL < VIL
再簡單不過了!當然,考慮抗干擾能力,還必須有一定的噪聲容限:
|VOH-VIH| > VN+
|VOL-VIL| > VN-
其中,VN+和VN-表示正負噪聲容限。
只要掌握這個原則,熟悉各類器件的輸入輸出特性,可以很自然地找到合理方案,如前面的方案(3)(4)都是正確利用器件輸入特性的例子。
(2) 電源次序
多電源系統必須注意的問題。某些器件不允許輸入電平超過電源,如果沒有電源時就加上輸入,很可能損壞晶片。這種場合效能最好的辦法可能就是方案(5)——164245。如果速度允許,方案(1)(7)也可以考慮。
(3) 速度/頻率
某些轉換方式影響工作速度,所以必須注意。像方案(1)(2)(6)(7),由於電阻的存在,透過電阻給負載電容充電,必然會影響訊號跳沿速度。為了提高速度,就必須減小電阻,這又會造成功耗上升。這種場合方案(3)(4)是比較理想的。
(4) 輸出驅動能力
如果需要一定的電流驅動能力,方案(1)(2)(6)(7)就都成問題了。這一條跟上一條其實是一致的,因為速度問題的關鍵就是對負載電容的充電能力。
(5) 路數
某些方案元器件較多,或者佈線不方便,路數多了就成問題了。例如匯流排地址和資料的轉換,顯然應該用方案(3)(4),採用匯流排緩衝器晶片(245,541,16245...),或者用方案(5)。
(6) 成本&供貨
前面說的164245就存在這個問題。"五要素"冒出第6個,因為這是非技術因素,而且太根本了,以至於可以忽略。