摘要：邏輯電平轉(zhuǎn)換技術(shù)及其缺陷—Maxim的解決方案。

對(duì)邏輯電平轉(zhuǎn)換的需求

越來越多的數(shù)字IC采用與以往不兼容的電源電壓、更低的VDD、或者VCORE和VI/O不同的雙電源供電，這就提出了對(duì)于邏輯電平轉(zhuǎn)換的要求。低電壓混合信號(hào)IC如未能與其配合的數(shù)字器件的發(fā)展保持同步，也需要使用邏輯電平轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換方法隨著轉(zhuǎn)換電平范圍、需要轉(zhuǎn)換的信號(hào)線數(shù)(如，一個(gè)4線的串行外設(shè)接口(SPI?)與32位數(shù)據(jù)總線間的轉(zhuǎn)換)、以及數(shù)字信號(hào)速率的不同而不同。許多邏輯IC能夠?qū)⒏唠娖睫D(zhuǎn)換成低電平(如將5V轉(zhuǎn)換到3.3V邏輯)，但很少能將低電平轉(zhuǎn)換成高電平(如將3.3V轉(zhuǎn)換到5V)。邏輯電平轉(zhuǎn)換可通過一個(gè)分立的晶體管或甚至是一個(gè)電阻與二極管的組合實(shí)現(xiàn)。但這些方法固有的寄生電容會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率。

盡管已有字節(jié)寬度的和字寬度的電平轉(zhuǎn)換器件，但它們對(duì)本文討論的 < 20Mbps的串行總線(SPI、I2C、USB等）并不理想。封裝尺寸大、需要使用很多引腳和I/O方向引腳的轉(zhuǎn)換器對(duì)于小型串行總線和外設(shè)接口并不理想。

串行外設(shè)接口由單向控制線組成：數(shù)據(jù)入、數(shù)據(jù)出、時(shí)鐘和片選。數(shù)據(jù)入和數(shù)據(jù)出也被稱為主入從出(MISO)和主出從入(MOSI)。SPI能夠使用超過20Mbp的時(shí)鐘信號(hào)，使用CMOS推挽邏輯。由于SPI是單向的，沒有必要在同一根信號(hào)線上實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換。這使電平轉(zhuǎn)換變得簡單一些，因?yàn)榭梢圆捎秒娮枧c二極管(圖1)或分立/數(shù)字晶體管(圖2)等簡單方案。


圖1. 電阻-二極管拓?fù)?，是在同一根信?hào)線上實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換的可選技術(shù)之一


圖2. 分立/數(shù)字晶體管是實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換的另外一種選擇

I2C、SMBus?和1-Wire?接口為雙向、漏極開路拓?fù)?。I2C有3個(gè)速度范圍：≤ 100kbps的標(biāo)準(zhǔn)模式、≤ 400kbps的快速模式、≤ 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桓鶖?shù)據(jù)線上進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。基于電阻-二極管或集電極/漏極開路的單級(jí)晶體管轉(zhuǎn)換器的簡單拓?fù)溆捎诠逃械膯蜗蛐?，無法滿足要求。

單向高到低電平轉(zhuǎn)換—輸入過壓容差

為了將邏輯電平由高向低轉(zhuǎn)換，IC廠商制造了大量的聲稱容許過壓輸入的器件。具有輸入過壓保護(hù)的邏輯器件是指能夠承受(不被損壞)高于其電源電壓的輸入電壓。這種具有輸入保護(hù)的器件簡化了從高VCC到低VCC邏輯的轉(zhuǎn)換任務(wù)，同時(shí)又增加了信噪比裕量。

容許過壓輸入，例如容許1.8V供電的邏輯器件接受1.8V或更高的邏輯電平輸入。LVC邏輯系列的器件，大部分是輸入過壓保護(hù)的，在需要由高向低轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中表現(xiàn)良好。但是，相反的情況，由低到高的轉(zhuǎn)換并不如此簡單。由低電壓邏輯產(chǎn)生高電壓邏輯的域值電平(VIH)不切實(shí)際。

當(dāng)設(shè)計(jì)的電路由于連接器、高扇出和雜散電容導(dǎo)致高負(fù)載電容時(shí)，應(yīng)注意，對(duì)于所有邏輯系列，降低電源電壓也會(huì)降低驅(qū)動(dòng)能力。但在3.3V的CMOS或TTL (LV、LVT、ALVT、LVC和ALVC)與5V標(biāo)準(zhǔn)TTL (H、L、S、HS、LS和ALS)之間是一個(gè)例外。在這些邏輯系列中，3.3V和5V邏輯的觸發(fā)點(diǎn)(VOL、VIL、VIH、VOH)相互匹配。

低-高和高-低混合轉(zhuǎn)換

諸如SPI總線類的應(yīng)用要求低-高和高-低混合電平轉(zhuǎn)換。例如，在工作于1.8V的處理器和工作于3.3V的外設(shè)之間。盡管可以使用以上方案進(jìn)行組合，但也可使用單個(gè)芯片，如：MAX1840、MAX1841或MAX3390滿足需求(見圖3)。


圖3. 一個(gè)帶SPI/QSPI?/MICROWIRE?接口，能夠?qū)崿F(xiàn)高-低和低-高混合轉(zhuǎn)換的IC電平轉(zhuǎn)換器示例

其它系統(tǒng)，如I2C、1-Wire總線，需要雙向的邏輯轉(zhuǎn)換。基于集電極或漏極開路單晶體管的簡單拓?fù)?，由于固有的單向性，不能工作于雙向總線。

雙向收發(fā)器方式

對(duì)于更大型的字節(jié)或字寬度總線而言，由于已有WR和RD信號(hào)，在不同邏輯電平之間傳遞數(shù)據(jù)的方法之一是使用如74CBTB3384類的總線開關(guān)器件。這類器件專門針對(duì)在3.3V和5V之間的電壓下工作進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)小型的1線或2線的總線，這種方法有兩個(gè)問題。首先，需使用獨(dú)立的使能引腳控制數(shù)據(jù)傳輸方向，這會(huì)占用寶貴的端口引腳資源。其次，需要使用大型IC，會(huì)占用寶貴的電路板空間。

所有的方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但設(shè)計(jì)者需要一款通用器件，能工作于所有電平，允許低到高和高到低的混合轉(zhuǎn)換，還包括進(jìn)行單向和/或雙向轉(zhuǎn)換。下一代雙向電平轉(zhuǎn)換器(MAX3370–MAX3393 IC系列的MAX3370)既能滿足這些要求，還能克服使用其它方案帶來的問題。

MAX3370使用一種傳輸門方法實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換(見圖4)，依賴外部輸出驅(qū)動(dòng)器吸收電流，無論是工作在低電壓還是高電壓邏輯范圍。這使該器件既能與漏極開路也能與推挽式輸出級(jí)一起工作。而且，傳輸門相對(duì)較低的導(dǎo)通電阻(小于135Ω)對(duì)轉(zhuǎn)換速率的影響遠(yuǎn)小于圖1中串接的電阻。


圖4. MAX3370使用一種傳輸門方法實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

圖4所示的電路還有另外兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，對(duì)漏極開路拓?fù)洌琈AX3370使用一個(gè)10kΩ的上拉電阻與“加速”開關(guān)并聯(lián)，最大程度降低了對(duì)外接上拉電阻的要求，同時(shí)還降低了與傳統(tǒng)漏極開路拓?fù)溆嘘P(guān)的RC時(shí)間常數(shù)斜率。其次，MAX3370的微型SC70封裝還能節(jié)省寶貴的電路板空間。

解決速率問題

對(duì)其它大多數(shù)漏極開路方案，RC時(shí)間常數(shù)都會(huì)限制有效數(shù)據(jù)速率(見圖5和6)。MAX3370 IC系列包括一個(gè)專利的加速機(jī)構(gòu)，主動(dòng)拉升上升沿，從而最大程度降低了容性負(fù)載的影響，如圖7，8和9所示。當(dāng)輸入超過預(yù)定義的門限時(shí)，器件主動(dòng)拉升上升沿，從而最大程度降低由外部寄生元件引起的偏斜。這使其能夠轉(zhuǎn)換由推挽驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率最高達(dá)20Mbps的信號(hào)。對(duì)源自漏極開路驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)轉(zhuǎn)換速率低一些。對(duì)于其它的漏極開路拓?fù)?，可通過外接上拉電阻提高速率。


圖5. 20kHz單FET漏極開路輸出波形圖，表明RC時(shí)間常數(shù)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生影響


圖6. 雙晶體管收發(fā)器分別以400kHz (a)和100kHz (b)速率將1.8V轉(zhuǎn)換成5V的波形圖，表明有效數(shù)據(jù)速率受到了限制


圖7. MAX3370以400kHz速率將1.8V轉(zhuǎn)換成5V的輸出波形圖，容性負(fù)載效應(yīng)被大幅度降低了


圖8. MAX3370使用一個(gè)4.7kΩ上拉電阻以400kHz速率輸出的波形圖，容性負(fù)載效應(yīng)被大幅度降低了


圖9. 此圖是一個(gè)MAX3370高速測試電路滿幅驅(qū)動(dòng)輸出的例子

解決通用電壓問題

應(yīng)用中理想要求是單獨(dú)一個(gè)元件能以任何速度轉(zhuǎn)換任意兩種邏輯電平。MAX337x系列的IC是為低至1.2V高至5.5V的邏輯電平所設(shè)計(jì)。一個(gè)芯片就能提供在大多數(shù)應(yīng)用中需要的電平轉(zhuǎn)換，而不需針對(duì)每一種電平轉(zhuǎn)換都選擇一種邏輯器件。

以前，在同一個(gè)電路中實(shí)現(xiàn)低到高和高到低的電平轉(zhuǎn)換只能使用獨(dú)立的芯片。現(xiàn)在，MAX337x系列雙向、拓?fù)錈o關(guān)(推挽和漏極開路)的一個(gè)單獨(dú)芯片即可解決這兩個(gè)問題。MAX3370是一個(gè)單線、通用電平轉(zhuǎn)換器。如需轉(zhuǎn)換更多數(shù)量的I/O信號(hào)線，請(qǐng)參考表1中列出的器件。

表1. 多線邏輯電平轉(zhuǎn)換器

Part	No. of I/O Channels	Unidirectional/ Bidirectional Rx/Tx	VL Range (V)	VCC Range (V)	Separate Enable	Speeds Up t (bps)
MAX3000/1	8	Bi, 8	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	230k/4M
MAX3002/3	8	Bi, 8	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	20M
MAX3013/23	8/4	Bi, 8/4	1.2 to (VCC - 0.4)	1.65 to 3.6	Yes	100M
MAX3014-28	8	Uni, full mix	1.2 to (VCC - 0.4)	1.65 to 3.6	Yes	100M
MAX3370/1	1	Bi, 1	1.65 to 5.5	2.5 to 5.5	No/Yes	2M
MAX3372/3	2	Bi, 2	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	230k
MAX3374 MAX3375 MAX3376	2	Uni, 2/0 Uni, 1/1 Uni, 0/2	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	16M
MAX3377/8	4	Bi, 4	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	230k
MAX3379	4	Uni, 4/0	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	16M
MAX3390	4	Uni, 3/1	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	16M
MAX3391	4	Uni, 2/2	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	16M
MAX3392	4	Uni, 1/3	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	16M
MAX3393	4	Uni, 0/4	1.2 to 5.5	1.65 to 5.5	Yes	16M
MAX13013/14	1/2	Bi, 1/2	1.2 to (VCC - 0.4)	1.65 to 3.6	Yes	100M

隨著每個(gè)系統(tǒng)中I/O電壓種類的增多，對(duì)電平轉(zhuǎn)換技術(shù)的需求更加緊迫。而負(fù)載電容，VCC電壓幅度差異，數(shù)據(jù)速率等使問題更加復(fù)雜化。對(duì)于高到低的電平轉(zhuǎn)換，如果轉(zhuǎn)換電壓差異較小，而且有成品器件可用(如容許過壓輸入的邏輯IC)，問題則不太嚴(yán)重。

但是，能處理較大VCC電壓差異和能將低電平轉(zhuǎn)換成高電平的IC或分立元件電路就比較困難了。雙向和漏極開路拓?fù)洳⒉缓苓m合高速率數(shù)據(jù)。Maxim的電平轉(zhuǎn)換器降低了在寬電壓范圍內(nèi)單/雙向、推挽和漏極開路拓?fù)潆娖介g轉(zhuǎn)換的難度。這些IC提供極小的封裝，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中不需任何外部元件。

1-Wire是Maxim Integrated Products, Inc.的注冊(cè)商標(biāo)。
MICROWIRE是National Semiconductor Corp.的商標(biāo)。
QSPI是Motorola, Inc.的商標(biāo)。
SMBus是Intel Corp.的商標(biāo)。
SPI是Motorola, Inc.的商標(biāo)。