什么是逻辑电平？如何实现电平转换？（原理讲解+电路图）

逻辑电平是数字电子系统中的关键概念之一。它决定了信号被认定为高电平还是低电平，并进一步影响着数字电路的正确操作。

 

逻辑电平是用来表示数字信号状态的电压水平。在数字电子系统中，常用的逻辑电平有高电平（通常表示为“1”）和低电平（通常表示为“0”）。这两个电平分别对应于二进制的“1”和“0”，代表着不同的逻辑状态。逻辑电平的稳定性对于正确地识别和处理数字信号至关重要。

 

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TTL逻辑电平

/ TTL

TTL（Transistor-Transistor Logic）逻辑电平是早期广泛使用的数字逻辑家族之一。TTL电平基于晶体管的饱和区和截止区之间的转换。在TTL电路中，高电平被定义为2V至5V的电压范围，低电平则为0V至0.8V。

输入高电平（VIH）：当输入电平高于VIH，则认为输入电平为高电平。

输入低电平（VIL）：当输入电平低于VIL，则认为输入电平为低电平。

输出高电平（VOH）：逻辑门的输出为高电平时，电压必须大于此值。

输出低电平（VOL）：逻辑门的输出为低电平时，电压必须小于此值。

阈值电平（VT）：电路刚好能翻转时的电平。

一般情况下：VOH>VIH>VT>VIL>VOL

TTL逻辑电平的主要特点
 

①高噪声容忍度

TTL逻辑电平对噪声的抵抗能力较强，可以正常工作在高噪声环境下。

②快速开关速度

TTL家族具有较高的开关速度，适用于需要高速操作的场景。

③相对较高的功耗

由于其特殊的电路结构，TTL电路通常消耗较高的功率。

 

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CMOS逻辑电平

/ CMOS

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）逻辑电平是现代数字电子系统中常用的一种逻辑电平。CMOS逻辑电平通过晶体管的导通和截止来实现信号的切换。CMOS电平具有很宽的噪声容限。

输出 L：<0.1*Vcc；H：>0.9*Vcc

输入 L：<0.3*Vcc ；H：>0.7*Vcc

CMOS逻辑电平的特点
 

① 低功耗

相对于TTL电路，CMOS电路的功耗较低，使其成为许多便携式设备中的理想选择。

② 高抗噪声性能

CMOS逻辑电平对噪声的容忍度也较高，可以在噪声环境中保持良好的信号完整性。

③ 较宽的工作电压范围

CMOS电路可以在较宽的电压范围内正常工作，提供了更大的设计灵活性。

 

通常，在电路中会遇到TTL电路和CMOS电路混合使用的情况，由于这些电路之间的电源电压、输入/输出电平及负载能力等参数不尽相同，因此它们之间的连接需要通过电平转换电路，使前级器件的输出逻辑电平满足后级器件对输入电平的要求。

 

当不同逻辑电平之间需要进行转换时，我们可以使用电平转换电路。

① TTL驱动CMOS电路

当它们使用相同的电源电压时，可采用外接上拉电阻的方式提高TTL的驱动能力；当使用不同的电源电压时，必须采用电平转换电路。如3.3V TTL驱动5V CMOS：高电平输出大于2.4V，如果落在2.4V至3.5V之间，CMOS电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。

② CMOS驱动TTL电路

3.3V/5V CMOS可以直接驱动3.3V/5V TTL。3.3V CMOS驱动5V CMOS：高电平输出3.3V，CMOS电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。

如果是其它电平，请参考TTL与CMOS电平规范判断是否需要进行电平转换。另外，5V TTL和5V CMOS电平已经不常用了，因为它们输入/输出电平差距较大。

 

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常见电平转换方式

/ 电平转换

① 晶体管+上拉电阻

该方法是使用一个双极型三极管或MOS管，C/D极接一个上拉电阻到正电源，输出电平大致就是正电源电平。

② OC/OD器件+上拉电阻

该方法适用于器件输出刚好是OC/OD的场合。OC门即集电极开路门电路；OD门即漏极开路门电路。

③ 专用电平转换芯片

这是最通用的电平转换方法，有些芯片不仅可以用作升压/降压，还能允许两边电源不同步，但价格也比较昂贵。如非必要，可以尝试后面两种方法。

④ 电阻分压

最简单的降低电平的方法。如5V电平经过1.6k+3.3k电阻分压后就变成3.3V。但这种方法缺点也很明显，功耗较大、驱动能力不强，带载能力差。

⑤ 限流电阻

若是觉得使用两个电阻太多，有时还可以只串联一个限流电阻，保证输入保护电流不超过电源极限就可以了。

⑥ 74xHCT系列芯片升压（3.3V→5V）

直接使用芯片进行电平转换，速率快、驱动能力强、成本高。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。这是因为3.3V CMOS的电平可以刚好与5V TTL电平兼容，而CMOS的输出电平总是接近电源电平。

 

参考示例：

① 3.3V→5V电平转换

如上图，R1与Q1组成OC门，配合R2上拉至5V，以此实现电平转换。Tx输出0V，Q1导通，Rx端为0.3V左右；Tx输出3.3V，Q1截止，RX端为5V，完成电平转换功能。
 

 

② 5V→3.3V电平转换

R3与Q2组成OC门，配合R5上拉至3.3V，实现电平转换。Tx输出0V，Q2导通，Rx端为0.3V左右；Tx输出5V，Q2截止，RX端为3.3V，完成电平转换功能。
 

 

逻辑电平作为数字电子系统中的核心概念，决定了信号的正确解读和处理。本文简单介绍了不同逻辑电平之间进行转换的常见方案，至于其他的转换方式，感兴趣的朋友可以自行研究。