高速电路逻辑电平转换设计参数解读

现在很多SOC器件为了降低功耗，都把IO口的电平设计成了1.8V，核电压0.85V，当这种SOC做主平台时，在做接口设计需要格外关注电平的匹配。单板中经常需要将1.8V的电平转换成3.3V或者转成5V。如果没有注意到输入和输出信号之间的电平匹配，系统就无法正常工作。

这篇文章主要从两个简单的案例入手，分析电平转换电路需要注意的一些问题，以及在此类芯片数据手册中几个重要参数的解读，对开发人员来说，掌握这些器件的参数是器件选型必须关注的点。

1. 三极管做电平转换

以常见的三极管做1.8V转3.3V为案例。电路图如下所示：

OC门输出的电路，在单板中做电平转换是较为常见的方法之一。当INPUT信号为1kHz频率时，2N3904处理起来不会有问题。下面进行仿真。

如果将输入信号的频率提高到1MHz，仔细观察输入和输出信号的电平，可见此时输出信号的上升沿已经有些变缓。

现在将频率提高到10MHz，输出波形已经变成了三角波，输出信号已经产生了失真。

设想一下，如果这个电路用在一个视频传输信号上，数据传输的速率是27M，主平台输出的数据信号电平1.8V，用这个电路将1.8V转换到3.3V，接收端就会因为失真导致接收的数据出现错误。

2. MOS管做电平转换

2.1  单板的串口电平转换电路中

下面这个电路一般用在单板的串口电平转换电路中。R3可NC掉。

用这个电路进行UART信号电平的转换，只要MOS管的选型没问题，基本可以正常的在电路中使用，分析如下：

串口常用波特率为115200，按照起始位，数据位，校验位，传输一个bit所需的时间为8.6us。假设传输数据的序列为1010101010……，则一个周期是8.6us，最大所需的开关频率为116K左右。这样的频率，常见的MOS管开关频率可以做到。仿真的波形如下。

证明了我们的理论分析，实际上由于串口发送的数据不可能是10101010…这样规则的序列，对MOS管开通和关断的速率要求可能更低。

2.2  使用MOS管实现双线电平转换

使用MOS管搭建电平转换电路，设计过程中的应用十分广泛。这种方案主要的特点：结构简单，建议不要再高速的通信中使用。

根据以上基于分离器件做的电平转换，可以得出的结论是：

1MOS管或者三级管作电平转换电路，需要看MOS管和三极管作为开关时，能否有足够的能力（带宽）处理高速的变化的电平信号。

1用OC/OD门的器件做电平转换，两边的电平自由度比较大。

3. 集成式电平转换

集成式的电平转换在单板中通常使用TI的74系列和ADI的ADG系列。下面是ADI的电平转换芯片ADG3301。从手册里面可以很清楚的判断出该芯片最高支持数据电平转换的速率为50Mbps。         

TI的一些芯片在数据手册中也会明确的标识出器件支持电平转换的数据速率。需要注意的是，两端是不同的电平转换，器件所能支持的最大的速率不一样。

这种集成芯片在使用的时，直接根据器件的带宽进行选型，可以不用考虑像三极管和MOS管这类分离器件的带宽是否足够，在设计上能节省不少的时间。

3.1 . 重要参数解读

仔细阅读电平转换芯片的数据手册，可以看到几个和时间有关系的参数。这里做一个总结。

（1）transition time

transition time是指信号转换时间，表征的是信号在两个电平之间变化所经历的时间，它是压摆率的倒数。

下面是NXP的74AHC1G07的数据手册，transition time描述的是∆t/∆V，这参数是该芯片对前级输出信号的要求，即要求输入到它的信号满足此参数的要求，它才能准确的识别出信号电平的变化，并做出正确的电平转换。

如果这个参数不满足，主要会存在两个方面的风险：前级信号的驱动能力不足，该信号会容易受到外界干扰。另外一个就是74AHC1G07的功耗会增加。

（2）Slew Rate

Slew Rate是运放比较常见的一个参数压摆率，单位是V/s，V/ms，V/us。这个参数表征的信号在单位时间内改变的电压。如果压摆率比较低，输出就无法准确的跟上输入信号的变化，产生失真。压摆率（slew rate）强调的电压变化速率，信号转换（transition time）强调的是信号变化时间。

（3） Propagation Delay

Propagation Delay是指信号的传播延时，简单的理解就是输入信号和输出信号之间的相位差。

（4）Skew

Skew是指两个或者多个时间信号之间的时间差。一般用在时钟树的场合。比如由晶振产生的时钟树，后端有10个端点，并且Skew是100ps，则意味着在10个信号中，最长时钟路径和最短时钟路径之间的时差为100ps。

3.2自动方向识别式 LSF型电平转换芯片

将从另外的角度来分析下电平转换芯片的工作原理和不同类型的电平转换芯片的差异。板级设计中，电平转换芯片使用较多，特别是在低功耗的设计中，因为处理器为了降低功耗，外围的IO口电平基本都是设计为1.8V，但是有些外设的接口，考虑到通用和噪声兼容性，大多数是3.3V的I/O口。因此，使用1.8V的处理器来驱动3.3V的外设，经常就需要使用到电平转换芯片。

进行电平转换的电路非常多，有分离式的，集成式的，有使用晶体管设计的，也有使用MOS管设计的。这篇文章不探讨分离式的设计，仅仅对集成式，自动方向识别的电平转换芯片其中的LSF型进行分析。

TI官网最后一栏的LSF型是本篇文章主要分析的内容，在后续的文章中陆续介绍TXB型和TXS型的使用。

这里选取TI的芯片PCA9306芯片作为原理分析的实例。

上面是硬件框图，但是，在使用时需要注意VREF1和VREF2的电压值，为什么会写这篇文章，因此在实际工作中遇到了有些人在连接时将两边的电压搞反了，导致无法使用。

虽然这个芯片是双向识别的，但是需要注意，这个芯片的电压其实并不是双向的，也就是两边的电压并不是随意调换。在手册前面就提到了电压的要求如下：

VREF1和VREF2的电压是存在严格要求，当VREF1为1.2V时，VREF2的电压必须比VREF1高，不能在VREF2这边设定一个0.9V的电压这样。下面来具体分析一下为什么会有这样的要求。

从上面的分析可以看出，如果VREFB太小，在200KΩ电阻上的压降无法保证VEN能将MOS管打开，所以进行电平转换时，电压需要严格遵守手册中的要求。当从B端往A端进行电平转换时，经过的过程和上面的一样的，这里不再赘述。

上拉电阻的取值，取决于SW在导通时产生的压降，手册中有详细的推荐值，如果流过SW的电流为15mA，按照表格中取值即可。

这个电平转换芯片比较常用的场合在od型的总线上，即用在IIC电平转换时的电路设计中，而TXB和TXS型的电平转换则用在非OD上比较常见，在后面的文章中会继续分析。

LSF型电平转换芯片使用时注意点：

（1）两边的电压VREF1和VREF2并不是取任意值，有严格的要求；

（2）可以使用EN关键来控制内部开关的开通和关断实现电平转换

（3）EN和VREFB管脚连接在一起

（4）注意上拉电阻的取值

（5）可用于高速数据传输的场合，可达100MHz

3.3 自动方向识别式 TXB型电平转换芯片

在上一篇文章分析了LSF型的电平转换芯片，LSF型电平转换芯片最常见是应用在I2C总线上。I2C为OD型总线，LSF使用时增加电阻。对于不是OD型总线的电平转换，比如UART，SPI，普通GPIO口信号，这些信号在进行双向电平转换使用什么样的芯片呢？

从上面的图可以看出，TXB型和TXS型也是双向自动识别的芯片，这两个芯片内部有差异，外围电路也有差异。仅仅从两个芯片所带负载的角度分析TXB型的主要用于高速的场合，要求负载电容小于70pF，数据传输速率可达到50Mbps以上。TXS型主要用于低速的场合，负载电容可以达到上百pF，数据传输速率一般在50Mbps以下。                                                                                                       以TXB型的芯片为例来分析这种芯片的工作原理。TXB是德州仪器TI的TXB系列电平转换芯片，NXB是恩智浦NXP的NXB系列电平转换芯片。两家的芯片内部框图和原理基本是一样的。下图是NXP的NXB0104使用时典型的框图。

从上面的框图可以看出，NXB型的电平转换芯片在使用时可以不需要上拉电阻。查看芯片内部的细节，如下图所示：

从框图可以看出，芯片内部主要有ONE SHOT电路，晶体管T1~T4，电阻4KΩ，以及驱动电路。ONE SHOT电路是上升沿，下降沿检测电路，芯片检测到管脚的电平发生变化时，ONE SHOT电路会将晶体管打开，这样做的好处是能加快器件的上升沿和下降沿。如果没有这个NE SHOT电路，直接使用4KΩ电阻，那么在电平变化时，对负载管脚电容充电的电流为VCCB/4KΩ，这个电流很小，那么上升沿和下降沿会非常缓，导致器件无法工作在高速的场合。因此，ONE SHOT电路的加入，可以有效增加这种电平转换器件工作在高速的接口上，如SPI接口的电平转换。下图是A点由低变高的转换过程，从分析过程可以看出，在上升沿变化时，此时动作的器件是晶体管T1，驱动器，4KΩ电阻以及上端的ONESHOT电路。

下图是A点由高变低的转换过程，整个动作的过程如下图所示。在下降沿变化时，此时动作的器件是晶体管T2，驱动器，4KΩ电阻以及下端的ONE SHOT电路。

针对这个芯片有几个问题需要进一步明确。ONE SHOT在什么时候工作？ONE SHOT在工作的时候会检测信号的高电平和低电平，在电平的5~95%的区间内进行开通和关闭。在使用带有ONE SHOT模块的电路时，在调试时，需要测试波形的上升沿和下降沿，特别是上冲和下冲电平。因为晶体管打开时，VCCB直接加到端口上，此时等同于电源直接给负载端的电容充电（忽略T1的导通电阻）。如果整个信号传输线上没有限流电阻，很容易引起过冲或者振铃出现。

因此，在实际使用时，建议在端口上预留串阻。串阻不仅能防止出现过冲现象，还能避免该管脚出现振铃，在实际电路中验证，串阻非常有效。为什么有4KΩ的电阻？这里4KΩ的电阻，既能在电平高转换时对端口的电压进行上拉，同时能在低电平转换时，进行下拉。如果没有这个4KΩ的电阻，那么ONE SHOT电路在打开后就不能关闭，因为需要维持着高或低电平。而此时如果想进行电平转换，是无法实现的。具体分析见下图的分析。所以，4KΩ的电阻既可以让电平保持在高或低，同时也能让其他管脚进行拉低。

芯片外部能接上下拉电阻吗？

可以接上下拉电阻，但是需要注意上下拉电阻的取值，在芯片手册中有详细的说明，如下所示：

具体原因分析如下：

详细的细节可以看TI的这篇文档《Effects of External Pullup andPulldown Resistors onTXS andTXB Devices》，这篇文章详细说明了端口的电压和上下拉电阻的关系。

3.4 方向控制型电压转换器（SN54SLC8T245-SEP）

集成芯片实现电平转，SN54SLC8T245-SEP的主要的特点是转换方向可控。

3.5 固定方向电压转换器（SN74LV4T125-Q1）

集成芯片实现电平转，SN74LV4T125-Q1的主要的特点是只能朝一个方向进行电平转换。

3.5 特定功能电平转换器（ISO1640EVM）

集成芯片实现电平转，ISO1640EVM的主要的特点是仅用于IIC的电平转换。

审核编辑：黄飞