什么是三态电路？三态电路及其使用

什么是三态电路

一般来说，我们认为CMOS数字电路的输出的稳定状态只有2种，就是逻辑0和逻辑1，从模拟信号量来说，就是0V和VDD。

那么有些小伙伴会说了，实际上输出状态还有Z态和X态。

Z态表示没有驱动时信号的输出，又被表示为高阻状态High-Z，在仿真波形上，喜欢用一条处于中间位置的线条表示，有的工具用黄色线条，有些工具用红色线条。

而X态，则表示输出状态不是逻辑0，也不是逻辑1，在仿真波形上，往往用一种红色块表示。如下图所示：

从仿真信号来看，这样的描述是为了区分稳定输出的信号逻辑状态，但客观世界里，并不存在X态以及Z态这两种信号状态。只是在不稳定的情况下，由于外界不确定的驱动因素，会使得输出状态向逻辑0或逻辑1漂移。

一般来说如果想避免这种Z态或X态，那么就必须确保信号有，且只有一个驱动源在驱动。（亚稳态也是导致Z态或X态的一种原因，但在那个时候，其实就是存在多个驱动，或没有驱动的情况）

峰回路转，那么这里想说的三态电路，又是一个什么鬼呢？我们看下面这个电路结构。

上图所示，就是一种三态输出电路，当Enable为VDD的时候，输出电压Vout与A端输入电压保持一个逻辑电平转换。但是当Enable控制信号为0V，也就是逻辑0时，无论输入电压A端怎么变化，输出反相器的PMOS和NMOS都处于关闭状态，Vout就没有驱动了。

刚才我们说过，如果信号没有驱动，就是输出高阻态High-Z，那么Enable为逻辑0的时候，Vout就是High-Z。

这种可以输出第三种逻辑状态的电路，我们称之为三态电路。在数字逻辑设计中，原则上只有IO电路上可以使用，常规的RTL设计，是不允许使用的。

如何让High-Z从不稳定走向稳定

既然High-Z是一种因为没有驱动而导致无法使用的不稳定信号逻辑，那么又怎样去使用呢？

因为三态电路常被用于IO Buffer的电路中，因此一般来说，我们会在Vout输出上加一个上拉电路或下拉电路。当Enable无效时，Vout通过一个弱上拉或弱下拉连接到VDD或地上，使其稳定到VDD或0V。

如下所示，是某工艺下数字逻辑IO Cell的电路示意图，当OEN为1'b1的时候，A端数据是无法送到P（即PAD）端的，但通过配置PUN为逻辑0的时候，则P端被拉到了VDD，即逻辑1上，确保了稳定的输出：

FPGA上如何使用三态电路作为IO

一般来说，ASIC设计时，有专门的IO Buffer可以实现三态IO电路，实例化在电路中即可。但FPGA没有，可以使用以下Verilog HDL实现：

注意这只适用于FPGA，同时要在IO约束文件里设置PULLUP或PULLDOWN可配置上拉或下拉。

使用BUSKEEPER对三态输出做保持

有些早期设计的片内嵌入式存储电路，其输出口仍然会使用三态输出，原本是为了降低功耗（还没输出时，关闭输出驱动管），但这也导致输出端出现High-Z，无法直接连接到数字逻辑上。

这个时候就可以在每个可能出现三态逻辑的输出信号上，接一个叫做buskeeper的电路逻辑，有时候又叫busholder。

Buskeeper用了一对驱动力大体一致的反相器组成反馈，当内部关闭输出后，原本在信号上的逻辑1或逻辑0，就可以被保持住。确保数字逻辑中不存在高阻或不定态。

注意驱动能力

无论上拉或下拉，我们都会说 弱上拉 ，或 弱下拉 ，这是什么原因呢？

我们看下面这个IO，当输出使能关闭后，DRVP以及DRVN都处于OFF状态，VDDPST通过上拉PMOS，PUMOS，为电容充电，使得PAD达到VDDPST的电压值，也就是逻辑1。

如果打开输出使能，并想输出逻辑1，如下图所示，因为驱动管DRVN关闭，因此VDDPST通过DRVP以及PUMOS同时向电容充电，时PAD达到逻辑1。这个还是比较好理解的。

但是如果我们想输出逻辑0呢？由于上拉管PUMOS与驱动管DRVN同时打开，那么同时会有VDDPST通过PUMOS向电容充电，以及电容通过DRVN向地放电的两条通路。如果想让PAD达到逻辑0，那么必须是放电通路的能力远远大于充电通路。

由此可见，必须使用较大的上拉或下拉电阻，或者使用驱动能力较弱的上拉或下拉晶体管，才更可能使PAD在输出逻辑0的时候，更容易接近于地电平。

所谓驱动力，其实就是电流，对于电阻来说，电流就是电压与电阻的比值：

I=（VDDPST-VPAD）/R（I是驱动电流，VDDPST是IO的供电电压，而VPAD是PAD上的电压，理想结果是无限趋近于0V，R则是电阻的阻值）

由此可见，在假设VPAD无限接近于0，则希望电流越小（驱动力越小），则上拉或下拉电阻的阻值就需要越大。

而对于MOS来说，如果假设VPAD的电压无限接近于VDDPST或0V，则上拉或下拉晶体管处于饱和状态，可以提供电流的公式为下图中饱和区的计算方式：

根据公式可以看出，如果在一个特定工艺的芯片内，想减少电流，就是减小宽长比W/L的数值。

需要注意，因为PMOS的迁移率只有NMOS大概一半的样子，因此在设计电路时，下拉器件的选择尤为重要。经验不足的工程师，往往会在下拉驱动选择上翻跟头。

给大家一个问题思考，如果芯片内的下拉驱动能力比较强，后期芯片无法输出稳定的逻辑1，我们能不能通过板级设计解决这个问题呢？

电平适配电路

我们一般都认为IO的输出电压就是芯片供电的Post-Drive电压，如果驱动芯片A的Post-Drive电压VDDPSTA是2.5V，则VOH为2.5V，但接收芯片B的Post-Drive电压VDDPSTB是3.3V，VIL为2.7V。如何让接收信号稳定的接收到驱动逻辑电平呢？

这里可以巧用三态IO，当CHIPA要输出逻辑1的时候，不是通过驱动管输出逻辑1，而是输出一个High-Z状态，这个时候PAD上的信号就没有驱动了。在片外增加一个上拉电阻，并连接到VDDPSTB上，则此时PAD上的电压VPAD就会因为VDDPSTB通过板级上拉电阻向电容充电而上升到VDDPSTB上，并稳定为CHIPB提供逻辑1。

但也要注意一个问题，就是如果VDDPSTB比VDDPSTA高的太多，那么就要注意会不会因为VDDPSTB到地的电压过大，或者VDDPSTB到VDDPSTA的电压差过大烧坏了DRVN或DRVP。

通过上拉电阻输出逻辑1，或者通过下拉电阻输出逻辑0的三态IO Buffer，在GPIO以及I2C等通讯接口上是经常被用到的。具体电路，具体分析。