不同器件之間的GPIO連接為什么需要電平一致呢？

一、問(wèn)題：不同器件之間的GPIO連接為什么需要電平一致呢？

? ? ? ??如果連接不同電平信號(hào)的I/O，驅(qū)動(dòng)IC的輸出電壓電平可能不滿足接收器的輸入電壓規(guī)格，從而導(dǎo)致接收器故障或損壞。 ?



圖一、電平轉(zhuǎn)換

? ?1.2、?如果各個(gè)器件之間的電壓不匹配，可能會(huì)出現(xiàn)何種異常現(xiàn)象：

????將某個(gè)信號(hào)從高電壓電平輸入至低電壓電平的器件，如<圖一>右上圖所示。低壓側(cè)的器件輸入電路的耐壓通常較低，如果輸入高于芯片耐壓值的電壓，該器件可能會(huì)遭損毀。

????將某個(gè)信號(hào)從低電壓電平輸入至高電壓電平的器件，如<圖一>左下圖所示。如果在高壓側(cè)的器件上施加接近輸入閾值的電壓，則無(wú)法識(shí)別高電平信號(hào)，從而導(dǎo)致故障。?

? 二、問(wèn)題：既然GPIO允許被配置為開(kāi)漏輸出。那么是否可以直接使用開(kāi)漏功能實(shí)現(xiàn)不同電平之間轉(zhuǎn)換呢？比如：3V-1.8V ?

2.1、實(shí)現(xiàn)開(kāi)漏輸入、輸出功能的引腳大至分為兩大類：

輸入、輸出引腳內(nèi)部電路是真正的MOS開(kāi)漏、三極管開(kāi)集電極輸出形式：比如電平轉(zhuǎn)換的專用緩存器、使用MOS管搭建的開(kāi)漏輸入、輸出電路。此類功能的芯片、電路使用較簡(jiǎn)單。

普通的GPIO引腳通過(guò)配置控制寄存器，實(shí)現(xiàn)開(kāi)漏極輸出功能。注意：此類GPIO使用較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為利用“開(kāi)漏電路實(shí)現(xiàn)線與”實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 ?

? 2.2、通過(guò)GPIO控制寄存器配置的開(kāi)漏輸出為什么不能直接“線與”？ ????

從前文GPIO簡(jiǎn)介可以知道：GPIO口內(nèi)部由輸入、輸出2部分組成；當(dāng)GPIO口的OUTPUT被使能，不管OUTPUT是否使能開(kāi)漏輸出或推挽輸出，GPIO的輸入INPUT<輸入施密特觸發(fā)器>始終開(kāi)啟。

? 如圖下圖所示，當(dāng)外部輸入1.8V時(shí)，由于IO_VCC 3.3V，1.8V處于中間電平，導(dǎo)致IO輸入部分漏電。具體原因如下： ?

當(dāng)GPI0口電平與供電電壓VCC相等時(shí)，處于input狀態(tài)的內(nèi)部電路等效為一個(gè)PMOS連接到VCC和一個(gè)NMOS連接到地；當(dāng)輸入電壓為VCC時(shí)，只導(dǎo)通下管NMOS，不導(dǎo)通上管PMOS，故功耗可以忽略不計(jì)。同理，當(dāng)輸入電平為低電平時(shí)，只導(dǎo)通上管PMOS，不導(dǎo)通下管NMOS，功耗也可以忽略不計(jì)。

但當(dāng)GPIO輸入電壓為1.8V時(shí)，IO_VCC電壓為3.3V，上管和下管同時(shí)微導(dǎo)通，因此通過(guò)PMOS、NMOS產(chǎn)生漏電。

三、常用的電平轉(zhuǎn)換方法、電路： ? ?

3.1、 二極管轉(zhuǎn)換電平（單向轉(zhuǎn)換）

左側(cè)為 5V 電壓域，右側(cè)為 3.3V 電壓域：

當(dāng)左側(cè)電壓輸出高電平（5V）時(shí)，二極管 D1 截止。右側(cè)被上拉到一個(gè) 3.3V 的高電平；

當(dāng)左側(cè)電壓輸出低電平（0V）時(shí)，二極管 D1 導(dǎo)通，右側(cè)被拉到為二極管導(dǎo)通電壓的低電平；

（注：該電路在低電平轉(zhuǎn)換時(shí)存在轉(zhuǎn)換誤差，該誤差主要來(lái)源于二極管正向?qū)▔航?，二極管在選型時(shí)，5V 端輸出的 VOL + 二極管正向壓降 VF不能超過(guò) VIL的最大值，MCU 在 3.3V 供電時(shí)，VIL電壓最大值為 0.8V，MCU 在 1.8V 供電時(shí)，VIL電壓最大值為 0.3*1.8V=0.54V）。

3.2、MOS 管轉(zhuǎn)換電平（雙向轉(zhuǎn)換）

左側(cè)為 3.3V 電壓域，右側(cè)為 5V 電壓域：

當(dāng)左側(cè)電壓輸出低電平（0V）時(shí)，MOS 管導(dǎo)通，右側(cè)電壓通過(guò) MOS 管被拉低；

當(dāng)左側(cè)電壓輸出高電平（3.3V）時(shí)，MOS 管不導(dǎo)通。右側(cè)電壓被電阻 R1 上拉到 5V；

當(dāng)右側(cè)電壓輸出低電平（0V）時(shí)，MOS 管不導(dǎo)通，MOS 管先經(jīng)過(guò)體二極管把左側(cè)電壓拉到低電平，此時(shí)，Vgs 大于 MOS 管閾值電壓從而使 MOS 管導(dǎo)通，進(jìn)一步左側(cè)電壓通過(guò) MOS 管被拉低；

當(dāng)右側(cè)電壓輸出高電平（5V）時(shí)，MOS 管不導(dǎo)通。左側(cè)電壓被電阻 R2 上拉到 3.3V。

3.3、使用專用電平轉(zhuǎn)換總線開(kāi)關(guān)或總線緩沖器

當(dāng)向輸出使能信號(hào)（OE）的輸入端施加等于或高于VIH的電壓時(shí)，總線開(kāi)關(guān)將輸入信號(hào)（高或低）傳輸至輸出端：

0V≤輸入電壓

輸入電壓≥VOHU：內(nèi)部開(kāi)關(guān)關(guān)斷。VCCB側(cè)的外部上拉電阻將輸入電壓上拉至VCCB電平。

審核編輯：劉清