高速電路邏輯電平轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)參數(shù)解讀

現(xiàn)在很多SOC器件為了降低功耗，都把IO口的電平設(shè)計(jì)成了1.8V，核電壓0.85V，當(dāng)這種SOC做主平臺(tái)時(shí)，在做接口設(shè)計(jì)需要格外關(guān)注電平的匹配。單板中經(jīng)常需要將1.8V的電平轉(zhuǎn)換成3.3V或者轉(zhuǎn)成5V。如果沒(méi)有注意到輸入和輸出信號(hào)之間的電平匹配，系統(tǒng)就無(wú)法正常工作。

這篇文章主要從兩個(gè)簡(jiǎn)單的案例入手，分析電平轉(zhuǎn)換電路需要注意的一些問(wèn)題，以及在此類(lèi)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中幾個(gè)重要參數(shù)的解讀，對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，掌握這些器件的參數(shù)是器件選型必須關(guān)注的點(diǎn)。

1. 三極管做電平轉(zhuǎn)換

以常見(jiàn)的三極管做1.8V轉(zhuǎn)3.3V為案例。電路圖如下所示：

OC門(mén)輸出的電路，在單板中做電平轉(zhuǎn)換是較為常見(jiàn)的方法之一。當(dāng)INPUT信號(hào)為1kHz頻率時(shí)，2N3904處理起來(lái)不會(huì)有問(wèn)題。下面進(jìn)行仿真。

如果將輸入信號(hào)的頻率提高到1MHz，仔細(xì)觀察輸入和輸出信號(hào)的電平，可見(jiàn)此時(shí)輸出信號(hào)的上升沿已經(jīng)有些變緩。

現(xiàn)在將頻率提高到10MHz，輸出波形已經(jīng)變成了三角波，輸出信號(hào)已經(jīng)產(chǎn)生了失真。

設(shè)想一下，如果這個(gè)電路用在一個(gè)視頻傳輸信號(hào)上，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾适?7M，主平臺(tái)輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)電平1.8V，用這個(gè)電路將1.8V轉(zhuǎn)換到3.3V，接收端就會(huì)因?yàn)槭д鎸?dǎo)致接收的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2. MOS管做電平轉(zhuǎn)換

2.1 單板的串口電平轉(zhuǎn)換電路中

下面這個(gè)電路一般用在單板的串口電平轉(zhuǎn)換電路中。R3可NC掉。

用這個(gè)電路進(jìn)行UART信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，只要MOS管的選型沒(méi)問(wèn)題，基本可以正常的在電路中使用，分析如下：

串口常用波特率為115200，按照起始位，數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)位，傳輸一個(gè)bit所需的時(shí)間為8.6us。假設(shè)傳輸數(shù)據(jù)的序列為1010101010……，則一個(gè)周期是8.6us，最大所需的開(kāi)關(guān)頻率為116K左右。這樣的頻率，常見(jiàn)的MOS管開(kāi)關(guān)頻率可以做到。仿真的波形如下。

證明了我們的理論分析，實(shí)際上由于串口發(fā)送的數(shù)據(jù)不可能是10101010…這樣規(guī)則的序列，對(duì)MOS管開(kāi)通和關(guān)斷的速率要求可能更低。

2.2 使用MOS管實(shí)現(xiàn)雙線電平轉(zhuǎn)換

使用MOS管搭建電平轉(zhuǎn)換電路，設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用十分廣泛。這種方案主要的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建議不要再高速的通信中使用。

根據(jù)以上基于分離器件做的電平轉(zhuǎn)換，可以得出的結(jié)論是：

1MOS管或者三級(jí)管作電平轉(zhuǎn)換電路，需要看MOS管和三極管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，能否有足夠的能力（帶寬）處理高速的變化的電平信號(hào)。

1用OC/OD門(mén)的器件做電平轉(zhuǎn)換，兩邊的電平自由度比較大。

3. 集成式電平轉(zhuǎn)換

集成式的電平轉(zhuǎn)換在單板中通常使用TI的74系列和ADI的ADG系列。下面是ADI的電平轉(zhuǎn)換芯片ADG3301。從手冊(cè)里面可以很清楚的判斷出該芯片最高支持?jǐn)?shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換的速率為50Mbps。

TI的一些芯片在數(shù)據(jù)手冊(cè)中也會(huì)明確的標(biāo)識(shí)出器件支持電平轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)速率。需要注意的是，兩端是不同的電平轉(zhuǎn)換，器件所能支持的最大的速率不一樣。

這種集成芯片在使用的時(shí)，直接根據(jù)器件的帶寬進(jìn)行選型，可以不用考慮像三極管和MOS管這類(lèi)分離器件的帶寬是否足夠，在設(shè)計(jì)上能節(jié)省不少的時(shí)間。

3.1 . 重要參數(shù)解讀

仔細(xì)閱讀電平轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以看到幾個(gè)和時(shí)間有關(guān)系的參數(shù)。這里做一個(gè)總結(jié)。

（1）transition time

transition time是指信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間，表征的是信號(hào)在兩個(gè)電平之間變化所經(jīng)歷的時(shí)間，它是壓擺率的倒數(shù)。

下面是NXP的74AHC1G07的數(shù)據(jù)手冊(cè)，transition time描述的是?t/?V，這參數(shù)是該芯片對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)的要求，即要求輸入到它的信號(hào)滿(mǎn)足此參數(shù)的要求，它才能準(zhǔn)確的識(shí)別出信號(hào)電平的變化，并做出正確的電平轉(zhuǎn)換。

如果這個(gè)參數(shù)不滿(mǎn)足，主要會(huì)存在兩個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)：前級(jí)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力不足，該信號(hào)會(huì)容易受到外界干擾。另外一個(gè)就是74AHC1G07的功耗會(huì)增加。

（2）Slew Rate

Slew Rate是運(yùn)放比較常見(jiàn)的一個(gè)參數(shù)壓擺率，單位是V/s，V/ms，V/us。這個(gè)參數(shù)表征的信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)改變的電壓。如果壓擺率比較低，輸出就無(wú)法準(zhǔn)確的跟上輸入信號(hào)的變化，產(chǎn)生失真。壓擺率（slew rate）強(qiáng)調(diào)的電壓變化速率，信號(hào)轉(zhuǎn)換（transition time）強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)變化時(shí)間。

（3） Propagation Delay

Propagation Delay是指信號(hào)的傳播延時(shí)，簡(jiǎn)單的理解就是輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的相位差。

（4）Skew

Skew是指兩個(gè)或者多個(gè)時(shí)間信號(hào)之間的時(shí)間差。一般用在時(shí)鐘樹(shù)的場(chǎng)合。比如由晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘樹(shù)，后端有10個(gè)端點(diǎn)，并且Skew是100ps，則意味著在10個(gè)信號(hào)中，最長(zhǎng)時(shí)鐘路徑和最短時(shí)鐘路徑之間的時(shí)差為100ps。

3.2自動(dòng)方向識(shí)別式 LSF型電平轉(zhuǎn)換芯片

將從另外的角度來(lái)分析下電平轉(zhuǎn)換芯片的工作原理和不同類(lèi)型的電平轉(zhuǎn)換芯片的差異。板級(jí)設(shè)計(jì)中，電平轉(zhuǎn)換芯片使用較多，特別是在低功耗的設(shè)計(jì)中，因?yàn)?a target="_blank">處理器為了降低功耗，外圍的IO口電平基本都是設(shè)計(jì)為1.8V，但是有些外設(shè)的接口，考慮到通用和噪聲兼容性，大多數(shù)是3.3V的I/O口。因此，使用1.8V的處理器來(lái)驅(qū)動(dòng)3.3V的外設(shè)，經(jīng)常就需要使用到電平轉(zhuǎn)換芯片。

進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的電路非常多，有分離式的，集成式的，有使用晶體管設(shè)計(jì)的，也有使用MOS管設(shè)計(jì)的。這篇文章不探討分離式的設(shè)計(jì)，僅僅對(duì)集成式，自動(dòng)方向識(shí)別的電平轉(zhuǎn)換芯片其中的LSF型進(jìn)行分析。

TI官網(wǎng)最后一欄的LSF型是本篇文章主要分析的內(nèi)容，在后續(xù)的文章中陸續(xù)介紹TXB型和TXS型的使用。

這里選取TI的芯片PCA9306芯片作為原理分析的實(shí)例。

上面是硬件框圖，但是，在使用時(shí)需要注意VREF1和VREF2的電壓值，為什么會(huì)寫(xiě)這篇文章，因此在實(shí)際工作中遇到了有些人在連接時(shí)將兩邊的電壓搞反了，導(dǎo)致無(wú)法使用。

雖然這個(gè)芯片是雙向識(shí)別的，但是需要注意，這個(gè)芯片的電壓其實(shí)并不是雙向的，也就是兩邊的電壓并不是隨意調(diào)換。在手冊(cè)前面就提到了電壓的要求如下：

VREF1和VREF2的電壓是存在嚴(yán)格要求，當(dāng)VREF1為1.2V時(shí)，VREF2的電壓必須比VREF1高，不能在VREF2這邊設(shè)定一個(gè)0.9V的電壓這樣。下面來(lái)具體分析一下為什么會(huì)有這樣的要求。

從上面的分析可以看出，如果VREFB太小，在200KΩ電阻上的壓降無(wú)法保證VEN能將MOS管打開(kāi)，所以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí)，電壓需要嚴(yán)格遵守手冊(cè)中的要求。當(dāng)從B端往A端進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí)，經(jīng)過(guò)的過(guò)程和上面的一樣的，這里不再贅述。

上拉電阻的取值，取決于SW在導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的壓降，手冊(cè)中有詳細(xì)的推薦值，如果流過(guò)SW的電流為15mA，按照表格中取值即可。

這個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片比較常用的場(chǎng)合在od型的總線上，即用在IIC電平轉(zhuǎn)換時(shí)的電路設(shè)計(jì)中，而TXB和TXS型的電平轉(zhuǎn)換則用在非OD上比較常見(jiàn)，在后面的文章中會(huì)繼續(xù)分析。

LSF型電平轉(zhuǎn)換芯片使用時(shí)注意點(diǎn)：

（1）兩邊的電壓VREF1和VREF2并不是取任意值，有嚴(yán)格的要求；

（2）可以使用EN關(guān)鍵來(lái)控制內(nèi)部開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

（3）EN和VREFB管腳連接在一起

（4）注意上拉電阻的取值

（5）可用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，可達(dá)100MHz

3.3 自動(dòng)方向識(shí)別式 TXB型電平轉(zhuǎn)換芯片

在上一篇文章分析了LSF型的電平轉(zhuǎn)換芯片，LSF型電平轉(zhuǎn)換芯片最常見(jiàn)是應(yīng)用在I2C總線上。I2C為OD型總線，LSF使用時(shí)增加電阻。對(duì)于不是OD型總線的電平轉(zhuǎn)換，比如UART，SPI，普通GPIO口信號(hào)，這些信號(hào)在進(jìn)行雙向電平轉(zhuǎn)換使用什么樣的芯片呢？

從上面的圖可以看出，TXB型和TXS型也是雙向自動(dòng)識(shí)別的芯片，這兩個(gè)芯片內(nèi)部有差異，外圍電路也有差異。僅僅從兩個(gè)芯片所帶負(fù)載的角度分析TXB型的主要用于高速的場(chǎng)合，要求負(fù)載電容小于70pF，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到50Mbps以上。TXS型主要用于低速的場(chǎng)合，負(fù)載電容可以達(dá)到上百pF，數(shù)據(jù)傳輸速率一般在50Mbps以下。以TXB型的芯片為例來(lái)分析這種芯片的工作原理。TXB是德州儀器TI的TXB系列電平轉(zhuǎn)換芯片，NXB是恩智浦NXP的NXB系列電平轉(zhuǎn)換芯片。兩家的芯片內(nèi)部框圖和原理基本是一樣的。下圖是NXP的NXB0104使用時(shí)典型的框圖。

從上面的框圖可以看出，NXB型的電平轉(zhuǎn)換芯片在使用時(shí)可以不需要上拉電阻。查看芯片內(nèi)部的細(xì)節(jié)，如下圖所示：

從框圖可以看出，芯片內(nèi)部主要有ONE SHOT電路，晶體管T1~T4，電阻4KΩ，以及驅(qū)動(dòng)電路。ONE SHOT電路是上升沿，下降沿檢測(cè)電路，芯片檢測(cè)到管腳的電平發(fā)生變化時(shí)，ONE SHOT電路會(huì)將晶體管打開(kāi)，這樣做的好處是能加快器件的上升沿和下降沿。如果沒(méi)有這個(gè)NE SHOT電路，直接使用4KΩ電阻，那么在電平變化時(shí)，對(duì)負(fù)載管腳電容充電的電流為VCCB/4KΩ，這個(gè)電流很小，那么上升沿和下降沿會(huì)非常緩，導(dǎo)致器件無(wú)法工作在高速的場(chǎng)合。因此，ONE SHOT電路的加入，可以有效增加這種電平轉(zhuǎn)換器件工作在高速的接口上，如SPI接口的電平轉(zhuǎn)換。下圖是A點(diǎn)由低變高的轉(zhuǎn)換過(guò)程，從分析過(guò)程可以看出，在上升沿變化時(shí)，此時(shí)動(dòng)作的器件是晶體管T1，驅(qū)動(dòng)器，4KΩ電阻以及上端的ONESHOT電路。

下圖是A點(diǎn)由高變低的轉(zhuǎn)換過(guò)程，整個(gè)動(dòng)作的過(guò)程如下圖所示。在下降沿變化時(shí)，此時(shí)動(dòng)作的器件是晶體管T2，驅(qū)動(dòng)器，4KΩ電阻以及下端的ONE SHOT電路。

針對(duì)這個(gè)芯片有幾個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步明確。ONE SHOT在什么時(shí)候工作？ONE SHOT在工作的時(shí)候會(huì)檢測(cè)信號(hào)的高電平和低電平，在電平的5~95%的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)閉。在使用帶有ONE SHOT模塊的電路時(shí)，在調(diào)試時(shí)，需要測(cè)試波形的上升沿和下降沿，特別是上沖和下沖電平。因?yàn)榫w管打開(kāi)時(shí)，VCCB直接加到端口上，此時(shí)等同于電源直接給負(fù)載端的電容充電（忽略T1的導(dǎo)通電阻）。如果整個(gè)信號(hào)傳輸線上沒(méi)有限流電阻，很容易引起過(guò)沖或者振鈴出現(xiàn)。

因此，在實(shí)際使用時(shí)，建議在端口上預(yù)留串阻。串阻不僅能防止出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，還能避免該管腳出現(xiàn)振鈴，在實(shí)際電路中驗(yàn)證，串阻非常有效。為什么有4KΩ的電阻？這里4KΩ的電阻，既能在電平高轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)端口的電壓進(jìn)行上拉，同時(shí)能在低電平轉(zhuǎn)換時(shí)，進(jìn)行下拉。如果沒(méi)有這個(gè)4KΩ的電阻，那么ONE SHOT電路在打開(kāi)后就不能關(guān)閉，因?yàn)樾枰S持著高或低電平。而此時(shí)如果想進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。具體分析見(jiàn)下圖的分析。所以，4KΩ的電阻既可以讓電平保持在高或低，同時(shí)也能讓其他管腳進(jìn)行拉低。

芯片外部能接上下拉電阻嗎？

可以接上下拉電阻，但是需要注意上下拉電阻的取值，在芯片手冊(cè)中有詳細(xì)的說(shuō)明，如下所示：

具體原因分析如下：

詳細(xì)的細(xì)節(jié)可以看TI的這篇文檔《Effects of External Pullup andPulldown Resistors onTXS andTXB Devices》，這篇文章詳細(xì)說(shuō)明了端口的電壓和上下拉電阻的關(guān)系。

3.4 方向控制型電壓轉(zhuǎn)換器（SN54SLC8T245-SEP）

集成芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)，SN54SLC8T245-SEP的主要的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換方向可控。

3.5 固定方向電壓轉(zhuǎn)換器（SN74LV4T125-Q1）

集成芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)，SN74LV4T125-Q1的主要的特點(diǎn)是只能朝一個(gè)方向進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3.5 特定功能電平轉(zhuǎn)換器（ISO1640EVM）

集成芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)，ISO1640EVM的主要的特點(diǎn)是僅用于IIC的電平轉(zhuǎn)換。

審核編輯：黃飛