互连电平转换及相关转换技术的基本原理及应用场合

1、逻辑电平转换概述

电平转换在实际电路设计中常常会用到，不同种类逻辑电平之间的转换一般通过特定逻辑功能器件实现（如使用MAX232实现TTL转RS232等等），但随着器件集成度的增加，工艺的提升，现在的控制器使用的逻辑电平电压等级越来越低（好多控制器对外接口都直接输出1.8V或更低了），而同种逻辑电平、不同电压等级之间的转换就变得更为常见了。

 

 

TI的逻辑器件列表

 

 

 

2、电平转换分类

常见的双电源逻辑电平转换包括单向转换、带方向控制引脚的双向转换、自动感测双向转换（推挽型输出以及用于漏极开路(如I2C)的）等。

 

 

电平转换电路类型

 

 

 
 

 

二极管电平转换

 

 

 

OC/OD电平转换

 

 

 

Pass Gate电平转换

3、电平转换器件选型

逻辑电平转换都会消耗功率。例如，从低到高的电平转换中，为了输出高逻辑电平，输入电压(Vin)低于VCC，电源电流变化(ΔICC)始终较高，因此功耗也较高。为了解决高功耗的问题，可以采用双电源电压(VCCA及VCCB)逻辑电平转换器，在逻辑电源电压(VL)等于Vin时，ΔICC就为0，从而降低功耗。

电平转换通常使用集成器件实现，但器件的选型需要从以下几个方面考虑：

• 信号特性（OD或PP）；
• 传输速度；
• 最大负载电容；
• 传输方向（是否需要带方向控制）；
• 双方信号工作电压范围（有没有High Side和Low Side的区别）；
• 当输入高电平电压高于器件VCC时，器件是否能承受。当输入高电平电压低于输出端VIH时输出是否能识别。
• 使用单电源时，高电压端驱动低电压端时有没有5V Tolerance问题，低电压端驱动高电压端时VIH是否满足；
• 控制信号跟随的电源域；
• 单方断电的问题（Partial Power Down），如果有则要选择有VCC Isolation功能的器件。

 

 

 
 

 
 

 

4、单向电平转换
单向逻辑电平转换的原理就是在输出使能(Output Enable)有效时，提供A点至B点转换；而在输出使能无效时，A、B之间呈现高阻态，通常当作电阻无穷大来处理，相当于没有接通。常见的双电源单向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。这些双电源单向逻辑电平转换器的应用包括通用输入输出(GPIO)端口、串行外设接口(SPI)端口和UART等每根线都是单向传输的总线。

5、带方向控制的双向电平转换
带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器的工作原理是：输出使能和方向控制信号均为低电平时，提供B点至A点转换；输出使能为低电平、方向控制信号为高电平时，提供A点至B点转换；而在输出使能为高电平时，A点至B点方向和B点至A点方向均处于高阻态，相当于没有接通。这类转换器的常见应用是以字节(byte)访问的存储器及I/O器件。

 

 

带OE和DIR控制的电平转换电路，不同的器件会要求将控制信号接到不同的电源域（High Side或Low Side）：

• TI/NXP PCA9306A EN control signal follows VREF2 (High Side).
• TI TXB/TXS1002 EN control signal follows VCCA (Low Side).
• TI SN74AVC2T245 DIR control signal follows VCCA.
• TI SN74AVC2T245 OE and DIR control signals follow VCCA.
• On-Semiconductor NLSX5102 EN control signal follows VL.

6、自适应双向电平转换
自动感应双向电平转换包括两种类型：一种是基于BUFFER缓冲的结构，主要用于推挽型输出的电路；另一种是基于FET开关的结构，主要用于开漏输出的电路。

 

 

推挽型电平转换block diagram

 

 

 

开漏型电平转换block diagram

6.1、推挽型自动感应双向逻辑电平转换

推挽型输出的自动感测双向逻辑电平转换器的工作原理是：

• 使能(EN)引脚为低电平时，转换器处于待机状态；
• EN引脚为高电平、I/O电平不变时，转换器处于稳态；
• EN引脚为高电平、I/O电平变化时，转换器检测到变化，并产生脉冲。

典型的自动感测方向双向逻辑电平转换器(推挽型输出)有安森美半导体的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等，TI的TXB010x系列。这类转换器的常见应用包括通用异步收发器(UART)、USB端口、4线SPI端口和3线SPI端口等双工的总线。

 

 
 

 

6.2、推挽型自动感应双向逻辑电平转换

用于漏极开路应用(如I2C)的自动感测双向逻辑电平转换器同样包含3个状态：

• EN引脚为高电平、NMOS导通时，处于工作状态，输入端I/O电平下拉至地，即输入低电平；
• EN引脚为高电平、NMOS处于高阻态时，处于工作状态，输出端I/O电平上拉至VCC，即输入高电平；
• EN引脚为低电平时，转换器处于待机状态。

典型的用于漏极开路应用(如I2C)的自动感测双向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSX4373MUTAG、NLSX4348FCT1G和NSLX4378BFCT1G等，TI的TXS010x系列（既可用于推挽，也可用于开漏）等。这类转换器的常见应用包括I2C总线、用户识别模块(SIM)卡、单线(1-Wire)总线、显示模块、安全数字输入输出(SDIO)卡等。

 

 
 

 
 

 

开漏电平转换电路中多了一个one shot加速电路，one shot电路的主要功能是加速上升/下降沿，当输入端（假设为A端）上升到逻辑门限时，输出端（假设为B端）的加速电路打开Pass-FET开关，持续一段时间使输出电压快速上升到输出高电平。反之当B端为输入时，通过A端的加速电路和Pass-FET开关实现加速，从而实现双向功能。

one shot是一个边沿触发的电路，在上升或下降沿瞬间打开MOS管（开启时间约3.5~4.5ns），使得信号可以快速上升或下降，提高线路的反应速度。

最后根据市面上常用的一些双向电平转换芯片，大致进行一个罗列，主要从转换速率、CL等关键参数进行对比如下表。

Channels	Max Data Rate	Parts	Max CL	Comments
1	2Mbps	MAX3370/71	200pF
2	16Mbps	MAX13046E/47E	50pF
2	20Mbps	NLSX3373, NLSX4373	N/A
2,4	6Mbps	MAX3394E, MAX3395E	400pF	Specialized rise time accelerators allow for high capacitive loads.
4	16Mbps	MAX3377E	50pF
4	20Mbps	NLSX3378, NLSX4378	N/A
4,6,8	100Mbps	MAX13042E-45E, MAX13030-35E, MAX13055E	40pF
6	20Mbps	MAX13000E-05E	100pF	Ultra low-voltage supplies (down to 0.9V)
8	230kbps	MAX3000E	100pF	back to back buffer； not for open drain
8	4Mbps	MAX3001E	100pF
8	20Mbps	MAX3002	50pF
1,2,4,6,8	20-100Mbps	TXB010x	70pF
2,4,8	100Mbps	NLSX3012, NLSX3014, NLSX3018	N/A
1,2,4,8	20-24Mbps	TXS010xxE	N/A
8	100Mbps	MAX3013	40pF	back to back buffer； not for open drain
16	20Mbps	MAX13101E-03E	50pF

 

最大数据速率依供电电压，负载电容和其他一些条件的变化而不同。

最大负载电容很少直接标注出，但却是选择逻辑电平转换器的关键。对于那些最大负载电容没有直接标注出的器件，数据手册标识的数值是用来生成典型工作曲线的最大电容值。“N/A”表示最大电容值在数据手册没有标识。所有数据手册中的测试的条件都是CL=15pF，如下几个图就是TXS系列芯片的测试条件。

 

 

本篇主要介绍逻辑互连中的电平转换问题，从单向电平转换、带方向控制的双向电平转换、自适应的双向电平转换几个方面进行了介绍，并介绍了相关转换技术的基本原理及应用场合。

逻辑电平系列文章就此告一段落，大致介绍了逻辑电平相关的基本概念，各种常见的单端和差分逻辑电平，其中重点介绍了CMOS的闩锁效应及防护措施，之后介绍了逻辑电平的互连，包括单端和差分，以及一些具有特殊功能的逻辑互连，最后介绍了逻辑互连中的电流倒灌和电平转换问题。

编辑：hfy