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互连电平转换及相关转换技术的基本原理及应用场合

电子设计 ? 2020-12-21 14:49 ? 次阅读

1、逻辑电平转换概述

电平转换在实际电路设计中常常会用到,不同种类逻辑电平之间的转换一般通过特定逻辑功能器件实现(如使用MAX232实现TTL转RS232等等),但随着器件集成度的增加,工艺的提升,现在的控制器使用的逻辑电平电压等级越来越低(好多控制器对外接口都直接输出1.8V或更低了),而同种逻辑电平、不同电压等级之间的转换就变得更为常见了。

TI的逻辑器件列表

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2、电平转换分类

常见的双电源逻辑电平转换包括单向转换、带方向控制引脚的双向转换、自动感测双向转换(推挽型输出以及用于漏极开路(如I2C)的)等。

电平转换电路类型

电平转换电路类型

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二极管电平转换

OC/OD电平转换

OC/OD电平转换

Pass Gate电平转换

PassGate电平转换

3、电平转换器件选型

逻辑电平转换都会消耗功率。例如,从低到高的电平转换中,为了输出高逻辑电平,输入电压(Vin)低于VCC,电源电流变化(ΔICC)始终较高,因此功耗也较高。为了解决高功耗的问题,可以采用双电源电压(VCCA及VCCB)逻辑电平转换器,在逻辑电源电压(VL)等于Vin时,ΔICC就为0,从而降低功耗。

电平转换通常使用集成器件实现,但器件的选型需要从以下几个方面考虑:

  • 信号特性(OD或PP);
  • 传输速度;
  • 最大负载电容
  • 传输方向(是否需要带方向控制);
  • 双方信号工作电压范围(有没有HighSide和LowSide的区别);
  • 当输入高电平电压高于器件VCC时,器件是否能承受。当输入高电平电压低于输出端VIH时输出是否能识别。
  • 使用单电源时,高电压端驱动低电压端时有没有5VTolerance问题,低电压端驱动高电压端时VIH是否满足;
  • 控制信号跟随的电源域;
  • 单方断电的问题(PartialPowerDown),如果有则要选择有VCCIsolation功能的器件。

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4、单向电平转换
单向逻辑电平转换的原理就是在输出使能(OutputEnable)有效时,提供A点至B点转换;而在输出使能无效时,A、B之间呈现高阻态,通常当作电阻无穷大来处理,相当于没有接通。常见的双电源单向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。这些双电源单向逻辑电平转换器的应用包括通用输入输出(GPIO)端口、串行外设接口(SPI)端口和UART等每根线都是单向传输的总线。

5、带方向控制的双向电平转换

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带OE和DIR控制的电平转换电路,不同的器件会要求将控制信号接到不同的电源域(HighSide或LowSide):

  • TI/NXPPCA9306AENcontrolsignalfollowsVREF2(HighSide).
  • TITXB/TXS1002ENcontrolsignalfollowsVCCA(LowSide).
  • TISN74AVC2T245DIRcontrolsignalfollowsVCCA.
  • TISN74AVC2T245OEandDIRcontrolsignalsfollowVCCA.
  • On-SemiconductorNLSX5102ENcontrolsignalfollowsVL.

6、自适应双向电平转换
自动感应双向电平转换包括两种类型:一种是基于BUFFER缓冲的结构,主要用于推挽型输出的电路;另一种是基于FET开关的结构,主要用于开漏输出的电路。

推挽型电平转换block diagram

推挽型电平转换blockdiagram

开漏型电平转换block diagram

开漏型电平转换blockdiagram

6.1、推挽型自动感应双向逻辑电平转换

推挽型输出的自动感测双向逻辑电平转换器的工作原理是:

  • 使能(EN)引脚为低电平时,转换器处于待机状态;
  • EN引脚为高电平、I/O电平不变时,转换器处于稳态;
  • EN引脚为高电平、I/O电平变化时,转换器检测到变化,并产生脉冲。

典型的自动感测方向双向逻辑电平转换器(推挽型输出)有安森美半导体的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等,TI的TXB010x系列。这类转换器的常见应用包括通用异步收发器(UART)、USB端口、4线SPI端口和3线SPI端口等双工的总线。

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6.2、推挽型自动感应双向逻辑电平转换

用于漏极开路应用(如I2C)的自动感测双向逻辑电平转换器同样包含3个状态:

  • EN引脚为高电平、NMOS导通时,处于工作状态,输入端I/O电平下拉至地,即输入低电平;
  • EN引脚为高电平、NMOS处于高阻态时,处于工作状态,输出端I/O电平上拉至VCC,即输入高电平;
  • EN引脚为低电平时,转换器处于待机状态。

典型的用于漏极开路应用(如I2C)的自动感测双向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSX4373MUTAG、NLSX4348FCT1G和NSLX4378BFCT1G等,TI的TXS010x系列(既可用于推挽,也可用于开漏)等。这类转换器的常见应用包括I2C总线、用户识别模块(SIM)卡、单线(1-Wire)总线、显示模块、安全数字输入输出(SDIO)卡等。

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开漏电平转换电路中多了一个oneshot加速电路,oneshot电路的主要功能是加速上升/下降沿,当输入端(假设为A端)上升到逻辑门限时,输出端(假设为B端)的加速电路打开Pass-FET开关,持续一段时间使输出电压快速上升到输出高电平。反之当B端为输入时,通过A端的加速电路和Pass-FET开关实现加速,从而实现双向功能。

oneshot是一个边沿触发的电路,在上升或下降沿瞬间打开MOS管(开启时间约3.5~4.5ns),使得信号可以快速上升或下降,提高线路的反应速度。

最后根据市面上常用的一些双向电平转换芯片,大致进行一个罗列,主要从转换速率、CL等关键参数进行对比如下表。

Channels

MaxDataRate

Parts

MaxCL

Comments

1

2Mbps

MAX3370/71

200pF

2

16Mbps

MAX13046E/47E

50pF

2

20Mbps

NLSX3373,NLSX4373

N/A

2,4

6Mbps

MAX3394E,MAX3395E

400pF

Specializedrisetimeacceleratorsallowforhighcapacitiveloads.

4

16Mbps

MAX3377E

50pF

4

20Mbps

NLSX3378,NLSX4378

N/A

4,6,8

100Mbps

MAX13042E-45E,MAX13030-35E,MAX13055E

40pF

6

20Mbps

MAX13000E-05E

100pF

Ultralow-voltagesupplies(downto0.9V)

8

230kbps

MAX3000E

100pF

backtobackbuffer;notforopendrain

8

4Mbps

MAX3001E

100pF

8

20Mbps

MAX3002

50pF

1,2,4,6,8

20-100Mbps

TXB010x

70pF

2,4,8

100Mbps

NLSX3012,NLSX3014,NLSX3018

N/A

1,2,4,8

20-24Mbps

TXS010xxE

N/A

8

100Mbps

MAX3013

40pF

backtobackbuffer;not

foropendrain

16

20Mbps

MAX13101E-03E

50pF

最大数据速率依供电电压,负载电容和其他一些条件的变化而不同。

最大负载电容很少直接标注出,但却是选择逻辑电平转换器的关键。对于那些最大负载电容没有直接标注出的器件,数据手册标识的数值是用来生成典型工作曲线的最大电容值。“N/A”表示最大电容值在数据手册没有标识。所有数据手册中的测试的条件都是CL=15pF,如下几个图就是TXS系列芯片的测试条件。

o4YBAF9uGyWAFPksAAO4p9sCyIE528.png

本篇主要介绍逻辑互连中的电平转换问题,从单向电平转换、带方向控制的双向电平转换、自适应的双向电平转换几个方面进行了介绍,并介绍了相关转换技术的基本原理及应用场合。

逻辑电平系列文章就此告一段落,大致介绍了逻辑电平相关的基本概念,各种常见的单端和差分逻辑电平,其中重点介绍了CMOS的闩锁效应及防护措施,之后介绍了逻辑电平的互连,包括单端和差分,以及一些具有特殊功能的逻辑互连,最后介绍了逻辑互连中的电流倒灌和电平转换问题。

编辑:hfy


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RS232C/TTL电平转换和串口取电

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发表于 01-05 17:08 ? 5882次 阅读
RS232C/TTL电平转换和串口取电

max232芯片介绍_max232接线图

本文对max232芯片进行了简单介绍,同时也分享了max232芯片接线图。
发表于 01-05 16:05 ? 15182次 阅读
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