原创 逻辑电平兼容与逻辑电平转换(简单总结)

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 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)。

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 < VIL    再简单不过了！当然，考虑抗干扰能力，还必须有一定的噪声容限：    |VOH-VIH| > 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)。    如果只有一两个信号要转换，弄个16245固然罗嗦，就是74AHC04之类的SO-14的芯片，也嫌大了，这是可以考虑 TI 或 Onsemi 的单/双门逻辑系列，如 74AHC1G04, 74AHCT1G04...可以节省板面积、优化布线。

(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。