标签: 电平转换

我遇到了一些电平转换的问题，主要是3.3V的ARM和5V或者3.3V的CPLD还有5V也可以是3.3V的AD9822，最后是5V的CCD之间的关系。 想来想去，最后最好的结果还是使用3.3V的ARM，CPLD还有给AD的逻辑，还有所有的缓冲芯片和SRAM供上3.3V的电平，这样做的最大好处，就是只需要在CCD和做一个电平转换就可以了。 对于这个整理了一些资料： A器件=B器件 对于逻辑电平来说，最主要的有以下四个参数: B器件的输入参数 输入高电平（VIH）：逻辑将输入电压识别成高电平时所允许的最小输入高电平，当VinputVIH时，则逻辑为高电平。 注意当输入电平为高时候，往往存在输入级有一定的泄漏电流，这个数值非常小在uA范围内，Ileak。 输入低电平（VIL）：逻辑将输入电压识别成低电平时所允许的最大输入低电平，当VinputVIL时，则认为输入电平为低电平。 注意当输入电平为低时候，往往存在输入级有一定流出的泄漏电流，这个数值非常小在uA范围内，Ileak。 泄流电流是钳位二极管和输入MOS管的综合作用。 A器件的输出参数 输出高电平（VOH）：在一定的输出电流（流出）下，逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值。由于可等效成内部的Rdson，实际上这个数值并没有大的意义，因为只有我们考虑了Rdson才能真实的估计实际的输出高电平的数值。 输出低电平（VOL）：在一定的输出电流（注入）下，逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值。同上面一个参数是同样一个概念。 电平兼容的要求 VOH VIH：在VIH需求的电流下的VOH。 VOL VIL：如果不存在上拉的条件的话，一般VOL的压降问题不大，这是一个比较容易满足的条件。 当然可能设定一定的电压阈值，作为噪声容限。 然后我们选取四类逻辑电平：TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS   输入参数 CMOS：输入高电平UIH min =（0.65～0.7）×5V，输入低电平UIL max  =（0.3～0.35）×5V LVCMOS： 输出参数 一般而言： CMOS：输出高电平UOH main = VDD-0.2V，输出低电平UOL max  =  0.2V. LVCMOS： 按照正常的情况 LVCMOS输出=CMOS输入，电平可能太低，导致高电平无法识别。 CMOS输出=LVCMOS输入，电平可能太高，导致IO口钳位。 目前网上有很多解决电平的方案，仔细分析一下，并对比优缺点和使用范围。 Device Families: TTL (74xx)  True TTL   74L         Low power  74S         Schottky   74H         High speed 74LS        Low power - Schottky               74AS        Advanced - Schottky        74ALS       Advanced - Low power - Schottky               74F(AST)    Fast - (Advanced - Schottky)       74C         CMOS...................check Vcc levels    74HC (U)    High speed - CMOS (Unbuffered output)       74HCT       High speed - CMOS - TTL inputs           74AHC       Advanced - High speed - CMOS               74AHCT      Advanced - High speed - CMOS - TTL inputs  74FCT (-A)  Fast - CMOS - TTL inputs (speed variations) 74FCT (-T, -AT) Fast - CMOS - TTL inputs (speed variations) 74AC        Advanced - CMOS                            74ACT       Advanced - CMOS - TTL inputs              74FACT      AC, ACT (Q) series                     74ACQ       Advanced - CMOS - Quiet outputs                74ACTQ      Advanced - CMOS - TTL inputs - Quiet outputs Bus Driver Families 74ABT       Advanced - BiCMOS - Technology                74ABTE      ABT - Enhanced Transceiver Logic               74ABTH      Advanced - BiCMOS - Technology - bus Hold  74BCT       BiCMOS - TTL inputs                       74BTL       Backplane - Transceiver - Logic            74GTL       Gunning - Transceiver - Logic              74GTLP      GTL Plus                               Low Voltage Families 74ALB       Advanced - Low Voltage - BiCMOS                74LV (U)    Low - Voltage (Unbuffered output)          74LVC (R)   LV - CMOS (damping Resistor)(Unbuffered output) 74LVCH          Low - Voltage - CMOS - bus Hold                74ALVC          Advanced - Low - Voltage - CMOS                74LVT (R) (U)   LV - TTL  (damping Resistor(Unbuffered output) 74LVTZ          Low - Voltage - TTL - High Impedance power-up  74ALVC (R)  ALV - CMOS (bus Hold) (damping Resistor)   74ALVCH         Advanced - Low - Voltage - CMOS - bus Hold 74LCX           LV - CMOS (operates with 3v 5v supplies) 74VCX           LV - CMOS (operates with 1.8v 3.6v supplies 4000            True CMOS (non-TTL levels)             ECL Device Families: MEC I           8nS*               MEC II          2nS*                   MEC III         (16XX)  1nS*  .......* = Rise Fall Times 101xx           100 series 10K ECL, 3.5nS*             102xx           200 series 10K ECL, 2.5nS*             108xx           800 series 10K ECL, voltage compensated, 3.5nS* 10Hxxx          10K - High speed, voltage compensated, 1.8nS* 10Exxx          10K - ECLinPS, voltage compensated, 800pS* 100xxx          100K, temperature compensated                  100Hxxx         100K - High speed, temperature compensated 100Exxx         100K - ECLinPS, temp, voltage comp., 800pS*

实现 ADM3251E 与 3.3V 系统的 RS-232 接口隔离 作者：晶圆技术部     随着对处理速度及功耗的需求增长，控制芯片越来越趋向于小体积，低功耗。因此其工作所需的电源电压也降低至 3.3V ，甚至 1.8V 。这造成了与 5V 供电的接口芯片连接时，电平不匹配的问题。         RS-232 总线标准是最常见的串行通信总线标准之一，主要应用于系统间的通信连接。在一些应用领域， RS-232 接口的隔离防护是必须的， ADI 公司基于 iCoupler 磁隔离技术的隔离型 RS-232 接口收发器 ADM3251E ，内部集成 DC-DC 隔离电源，信号隔离通道及 RS-232 收发器，接口带有± 15KV 的 ESD 保护和 25KV/us 的共模抑制能力，非常适于工作在苛刻的电气环境或频繁插拔 RS-232 电缆的环境中。         ADM3251E 的出现替代了之前的光耦隔离方案，减少 PCB 面积，提高接口稳定性且降低了成本。由于其内部集成有 DC-DC 隔离电源，因此无需外部分立的 DC-DC 隔离电源模块供电，提供了单芯片的 RS-232 接口隔离方案。但值得注意的是， ADM3251E 的电源输入引脚 VCC ，只有在 5V 输入电压时，才能使芯片内部的 DC-DC 隔离电源有效，当 VCC 采用 3.3V 供电时，芯片内部 DC-DC 隔离电源无效，此时需要我们外接分立的 DC-DC 隔离电源模块供电。     由于 ADM3251E 的输入侧 Tin 引脚是 CMOS 结构，其输入电压范围是：高电平不低于 0.7VCC ，低电平不高于 0.3VCC ，即当 5V 供电时，输入高电平需高于 3.5V ，输入低电平需低于 1.5V 。下面是我搜集的几种简单的电平转换电路，以方便 3.3V 的控制信号与 5V 供电的 ADM3251E 通信。 3.3V 信号转 5V 信号 采用 MOSFET     如图 1 所示，电路由一个 N 沟道 FET 和一个上拉电阻构成。在选择 R1 的阻值时，需要考虑输入的开关速度和 R1 上的电流消耗。当 R1 值较小时，可以提高输入开关速度，获取更短的开关时间，但却增大了低电平时 R1 上的电流消耗。   图 1 ，采用 MOSFET 实现 3V 至 5V 电平转换 采用二极管钳位     如图 2 所示，由于 3.3V 信号的低电平一般不高于 0.5V ，当 3.3V 系统输出低电平时，由于 D1 的钳位作用，使得 5V 输出端会得到 0.7V~1.2V 的低电压，低于 ADM3251E 的最高不超过 1.5V 的低电平阈值。当 3.3V 系统输出高电平时，由于 D2 的钳位作用，使 5V 输出端会得到约 4V 的高电平电压，高于 ADM3251E 的最低不低于 3.5V 的高电平阈值。     图 2 ，采用二极管实现 3V 至 5V 电平转换 采用三极管     如图 3 所示，当 3.3V 系统高电平信号输入时， Q1 导通， Q2 截止，在 5V 输出端得到 5V 电压。当 3.3V 系统低电平信号输入时， Q1 截止， Q2 导通，在 5V 输出端得到低电平。此电路同样也适用于 5V 转 3V 的情况，只要将上拉的电压换成 3.3V 即可。     图 3 ，采用三极管实现 3V 至 5V 电平转换     以上三种方法比较简单，能够很方便的实现电平转换，但对传输速率有一定的限制，对于 9600 ， 19200 等常用传输速率，使用这些方法没有问题。也可以采用电压比较器、运算放大器或 OC 门芯片 74HC05 来实现 3V 至 5V 的电平转换。对于高于 100K 传输速率的应用，我们可采用一些专门的电平转换芯片，如 74LVX4245 、 SN74LVC164245 、 MAX3370 等，但这些芯片价格偏高。当然，我们也可以采用 ADUM1201 搭配 DC-DC 隔离电源模块和 RS-232 收发器的分立隔离方案， ADUM1201 不但能对信号进行隔离，还能够在隔离信号的同时方便的实现 3V 至 5V 的电平转换。 5V 信号转 3.3V 信号     一些 3.3V 供电的控制芯片能够承受 5V 的输入电压，但更多的控制芯片只能接受 3.3V 的输入信号，因此需要将 ADM3251E 的 Rout 引脚输出 5V 信号转为 3.3V 电平信号。 采用二极管钳位     如图 4 所示，利用二极管的钳位作用，将 5V 电平转换为 3.3V 电平， R1 的作用是限流，但串联了限流电阻 R1 会降低输入开关的速度。采用此电路时，会通过二极管 D1 向 3.3V 电源输入电流，如果电流过高可能会使 3.3V 电源电压超过 3.3V 。   图 4 ，采用二极管钳位作用实现 5V 至 3V 电平转换 2 、采用三极管     如图 5 所示，三极管在此电路中也起到钳位的作用，且不会将电流引入 3.3V 电源。     图 5 ，采用三极管实现 5V 至 3V 电平转换 3 、采用电阻分压     如图 6 所示，这应该是最简单的降低电平的方法。   图 6 ，采用电阻分压实现 5V 至 3V 电平转换     以上电路能够方便的实现 ADM3251E 与 3.3V 供电的控制系统之间的通信。其整体电路图如图 7 ：   图 7 ， ADM3251E 与 3.3V 系统的通信     图中采用三极管加上拉电阻升压的方法将 3.3V 的输入信号拉升到 5V ，输入到 ADM3251E 的 Tin 引脚，而 ADM3251E 的 Rout 引脚 5V 输出信号经电阻分压，转换成 3.3V 信号输入到以 3.3V 电源工作的控制器中。     需要注意的是，上拉电阻及限流电阻都会不通程度的影响数据传输速率。         ADM3251E 外围共需 6 个电容， 2 个瓷片 104 电容，和 4 个电荷泵电容，泵电容是很重要的，用来稳定 RS-232 的输出信号，保证足够的升压，因此推荐使用耐压 16V ， 0.1uF 的电解电容。     此外，我们也可以选择采用 ADUM1201 的分立隔离方案，能够在实现信号隔离的同时实现电平的转换，其电路如图 8 所示：   图 8 ，采用 ADUM1201 实现 3.3V 控制系统与 5V 供电的 RS-232 收发器的隔离通信     电平转换在目前的数字电路设计中应用的越来越多， ADUM 磁隔离芯片能够在隔离信号的同时，方便的实现电平转换，大大节省了设计时间和 PCB 体积。 ADM3251E 内部集成 DC-DC 隔离电源，在 5V 电源输入的情况下，内部隔离电源工作，在 3.3V 电源输入情况下，内部隔离电源不工作，需要外接隔离电源供电，当外接隔离电源时，同样可以实现 3.3V 的输入信号转为 RS-232 信号输出的功能。