自TTL和5V CMOS成為邏輯電路的主要標(biāo)準(zhǔn)以來，電子設(shè)計(jì)發(fā)生了很大變化。現(xiàn)代電子系統(tǒng)的日益復(fù)雜導(dǎo)致邏輯電壓降低，這反過來又可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)邏輯系列的輸入和輸出電平不兼容。例如，工作在1.8V的數(shù)字部分必須與工作在3.3V的模擬子部分通信，這并不罕見。本文探討了邏輯操作的基礎(chǔ)知識，并主要針對串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)考慮了在不同邏輯電壓域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的可用方法。

對邏輯電平轉(zhuǎn)換的需求

具有不兼容電壓軌的數(shù)字IC的增長，電壓較低DD導(dǎo)軌，或用于 V 的雙軌核心和 VI/O使得邏輯電平的轉(zhuǎn)換變得必要。使用具有較低電源電壓的混合信號IC與數(shù)字IC的電源電壓不同步，這也產(chǎn)生了對邏輯電平轉(zhuǎn)換的需求。

轉(zhuǎn)換方法根據(jù)遇到的電壓范圍、要轉(zhuǎn)換的線路數(shù)量（例如，4 線串行外設(shè)接口 （SPI） 與 32 位數(shù)據(jù)總線）以及數(shù)字信號的速度而有所不同。許多邏輯IC可以從高電平轉(zhuǎn)換到低電平（例如5V到3.3V邏輯），但很少有邏輯IC可以從低電平轉(zhuǎn)換到高電平（3.3V到5V）。電平轉(zhuǎn)換可以通過單個(gè)分立晶體管甚至電阻-二極管組合來實(shí)現(xiàn)，但這些方法固有的寄生電容會降低數(shù)據(jù)傳輸速率。

盡管可以使用字節(jié)范圍和字范圍電平轉(zhuǎn)換器，但它們并不是本文中討論的< 20Mbps串行總線的最佳選擇（SPI，I2C、USB 等）。因此，需要具有高引腳數(shù)和I/O方向引腳的大型封裝的轉(zhuǎn)換器不適用于小型串行和外設(shè)接口。

串行外設(shè)接口由單向控制線數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、時(shí)鐘和片選組成。數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出也稱為主輸入、從輸出 （MISO） 和主輸出從輸入 （MOSI）。SPI的時(shí)鐘速度可以超過20Mbps，由CMOS推挽邏輯驅(qū)動。由于SPI是單向的，因此在同一信號線上的雙向平移是 必要。這使得電平轉(zhuǎn)換更簡單，因?yàn)槟梢圆捎蒙婕半娮韬投O管（圖1）或分立/數(shù)字晶體管（圖2）的簡單技術(shù)。

圖1.電阻-二極管拓?fù)涫窃谕恍盘柧€上雙向轉(zhuǎn)換的一種替代技術(shù)。

圖2.使用分立/數(shù)字晶體管是雙向轉(zhuǎn)換的另一種選擇。

I2C、SMBus和1-Wire接口均為雙向、漏極開路I/O拓?fù)?。I2C 有三個(gè)速度范圍：≤ 100kbps 的標(biāo)準(zhǔn)模式、≤ 400kbps 的快速模式和 ≤ 3.4Mbps 的高速模式。雙向總線的電平轉(zhuǎn)換更加困難，因?yàn)楸仨氃谕粭l數(shù)據(jù)線上進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。基于電阻二極管和單級晶體管轉(zhuǎn)換器的簡單拓?fù)?，具有集電極或漏極開路，由于它們本質(zhì)上是單向的，因此無法正常工作。

單向高電平到低電平轉(zhuǎn)換—輸入過壓容差

為了從較高邏輯電平轉(zhuǎn)換為較低邏輯電平，IC制造商生產(chǎn)了一系列據(jù)說可以承受輸入過壓的器件。如果邏輯器件能夠承受（而不會損壞）高于其電源電壓的輸入電壓，則將其定義為輸入過壓保護(hù)。這種輸入保護(hù)器件簡化了從高V轉(zhuǎn)換到低V的任務(wù)抄送邏輯，同時(shí)增加信噪比容差。

例如，過壓容限輸入允許邏輯器件在由1.8V電源供電時(shí)應(yīng)對1.8V或更高的邏輯電平。LVC邏輯系列中的器件大多具有輸入過壓保護(hù)功能，適用于需要從高到低轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。從低到高的翻譯的相反情況并不容易。產(chǎn)生更高的電壓邏輯電平閾值（VIH） 從較低的電壓邏輯。

在設(shè)計(jì)連接器、高扇出或雜散負(fù)載電容產(chǎn)生高電容負(fù)載的電路時(shí)，應(yīng)記住，對于所有邏輯系列，降低電源電壓也會降低驅(qū)動能力。3.3V CMOS或TTL（LV，LVT，ALVT，LVC和ALVC）和5V標(biāo)準(zhǔn)TTL（H，L，S，HS，LS和ALS）之間會出現(xiàn)例外。在這些邏輯系列中，3.3V和5V邏輯激活點(diǎn)（VOL、VIL、VIH 和 VOH）相互匹配。

SPI總線等應(yīng)用需要高-低和低-高轉(zhuǎn)換的混合。例如，考慮1.8V的處理器和3.3V的外設(shè)。雖然可以混合使用上述技術(shù)，但MAX1840、MAX1841或MAX3390等單芯片可以自行實(shí)現(xiàn)必要的轉(zhuǎn)換（圖3）。

圖3.此圖顯示了具有 SPI/QSPI 的 IC 電平轉(zhuǎn)換器示例?/MICROWIRE接口，可實(shí)現(xiàn)高低低低轉(zhuǎn)換的必要混合。?

其他系統(tǒng)，例如 I2C和1-Wire總線需要雙向邏輯轉(zhuǎn)換?；诰哂屑姌O或漏極開路的單個(gè)晶體管的簡單拓?fù)洳荒茉陔p向總線中工作，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是單向的。

雙向收發(fā)器方法

對于已經(jīng)存在WR和RD信號的較大字節(jié)和字寬總線，跨電壓電平傳輸數(shù)據(jù)的一種方法是總線開關(guān)，例如74CBTB3384。此類器件通常針對 3.3V 至 5V 的工作電壓進(jìn)行了優(yōu)化。對于較小的1線和2線總線，這種方法會產(chǎn)生兩個(gè)問題。首先，它需要一個(gè)單獨(dú)的使能引腳來控制數(shù)據(jù)流的方向，這占用了寶貴的端口引腳。其次，它需要占用寶貴電路板空間的大型IC。

所有技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。盡管如此，設(shè)計(jì)人員需要一款適用于所有轉(zhuǎn)換電平的通用器件，支持從低到高和高到低的混合邏輯轉(zhuǎn)換，并包括單向和/或雙向轉(zhuǎn)換。新一代雙向電平轉(zhuǎn)換器（MAX3370–MAX3370系列IC中的MAX3393）滿足了這些需求，同時(shí)克服了替代方法帶來的一些問題。

MAX3370采用傳輸柵極電平轉(zhuǎn)換方法（圖4），無論工作在低壓還是高壓邏輯域，都依靠外部輸出驅(qū)動器來吸收電流。該功能使該器件能夠與漏極開路或推挽輸出級配合使用。此外，傳輸柵極的導(dǎo)通電阻相對較低（小于135Ω），對工作速度的限制遠(yuǎn)小于圖1的串聯(lián)電阻。

圖4.MAX3370采用傳輸門電平轉(zhuǎn)換方法。

圖 4 中的設(shè)計(jì)還具有另外兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，對于漏極開路拓?fù)?，MAX3370包括10kΩ上拉電阻，由“加速”開關(guān)并聯(lián)。這最大限度地減少了對外部上拉電阻的需求，同時(shí)降低了與傳統(tǒng)漏極開路拓?fù)湎嚓P(guān)的RC時(shí)間常數(shù)斜坡。其次，MAX3370的微型SC70封裝也節(jié)約了寶貴的成本。 電路板空間。

解決速度問題

RC時(shí)間常數(shù)限制了大多數(shù)其他開漏方法的有效數(shù)據(jù)速率（圖5和圖6）。MAX3370 IC系列包括一種加速方案，可主動拉高上升沿，從而最大限度地降低容性負(fù)載的影響，如圖7、8和圖9所示。當(dāng)輸入超過預(yù)定義閾值時(shí)，器件主動上拉上升沿，從而最大限度地減少外部寄生元件引起的任何偏斜。該功能允許推挽式驅(qū)動器產(chǎn)生的信號的數(shù)據(jù)速率高達(dá)20Mbps。來自漏極開路驅(qū)動器的信號速度往往較慢。然而，對于其他漏極開路拓?fù)?，可以通過添加外部上拉電阻來提高其速度。

圖5.20kHz時(shí)單FET開漏輸出的示波器圖顯示，由于RC時(shí)間常數(shù)，有效數(shù)據(jù)速率有限。

圖6.雙晶體管收發(fā)器在1kHz （a）和8kHz （b）下將5.400V轉(zhuǎn)換為100V的示波器示波器顯示了有限的有效數(shù)據(jù)速率。

圖7.MAX3370輸出在1kHz時(shí)轉(zhuǎn)換為8.5V至400V的示波器圖顯示容性負(fù)載效應(yīng)最小。

圖8.MAX3370輸出在400kHz和4.7kΩ上拉電阻時(shí)的示波器圖顯示了容性負(fù)載的最小影響。

圖9.該圖給出了MAX3370高速測試電路輸出的軌到軌驅(qū)動示例。

解決通用電壓問題

理想情況下，應(yīng)用需要能夠以任何速度在任意兩個(gè)邏輯電平之間轉(zhuǎn)換的單個(gè)組件。MAX337x系列IC設(shè)計(jì)用于低至1.2V和高達(dá)5.5V的邏輯電平。因此，這個(gè)單一組件可以提供大多數(shù)情況下所需的電平轉(zhuǎn)換，而無需為每個(gè)電平轉(zhuǎn)換器要求選擇邏輯器件。

以前，同一電路中從低到高和高到低的轉(zhuǎn)換需求只能通過單獨(dú)的芯片來滿足。現(xiàn)在，MAX337x系列單芯片的雙向和拓?fù)洫?dú)立特性（推挽或漏極開路）解決了這兩個(gè)問題。MAX3370為單線、通用邏輯電平轉(zhuǎn)換器。要轉(zhuǎn)換大量 I/O 行，請參閱表 1 中列出的設(shè)備。

隨著每個(gè)系統(tǒng)的I/O電壓數(shù)量的增加，對電平轉(zhuǎn)換技術(shù)的需求變得更加迫切。負(fù)載電容，大小為V抄送差異和速度使問題更加復(fù)雜。對于從高到低的轉(zhuǎn)換，如果轉(zhuǎn)換電壓差很小，并且有現(xiàn)成的器件（例如容許輸入過壓的邏輯IC）可用，則問題就不那么嚴(yán)重了。

然而，尋找能夠處理V差異較大的IC的IC和分立元件電路抄送從低邏輯電平轉(zhuǎn)換到高邏輯電平變得困難。雙向和漏極開路拓?fù)洳贿m合高速數(shù)據(jù)速率。Maxim的電平轉(zhuǎn)換器簡化了各種雙向/單向、推挽式和漏極開路拓?fù)涞碾娖睫D(zhuǎn)換問題。IC采用超小型封裝，無需外部元件即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)操作。

審核編輯：郭婷