電平轉換器

在新一代電子電路設計中, 隨着低電壓邏輯的引入,系統內部常常出現輸入/ 輸出邏輯不協調的問題, 從而提高了系統設計的複雜性。例如, 當1. 8V的數字電路與工作在3. 3V 的模擬電路進行通信時,需要首先解決兩種電平的轉換問題,這時就需要電平轉換器。

隨着不同工作電壓的數字IC 的不斷湧現,邏輯電平轉換的必要性更加突出, 電平轉換方式也將隨邏輯電壓、數據總線的形式(例如4 線SPI、32 位並行數據總線等) 以及數據傳輸速率的不同而改變。雖然許多邏輯芯片都能實現較高的邏輯電平至較低邏輯電平的轉換(如將5V 電平轉換至3V 電平) ,但極少有邏輯電路芯片能夠將較低的邏輯電平轉換成較高的邏輯電平(如將3V邏輯轉換至5V邏輯) 。另外,電平轉換器雖然也可以用晶體管甚至電阻———二極管的組合來實現, 但因受寄生電容的影響,這些方法大大限制了數據的傳輸速率。儘管寬字節的電平轉換器已經商用化, 但這些產品不是針對數據速率低於20Mbps 的串行總線(SPITM、I2CTM、USB 等) 優化的, 這些器件具有較大的封裝尺寸、較多的引腳數和I/ O 方向控制引腳,因而不適合小型串行或外設接口和更高速率的總線(如以太網、LVDS、SCSI等) 。

很多電子系統繼續向更低的電壓信號水平轉移。這個發展潮流背後的動力是對減少功耗的需求。更快的整流速度和降低信號噪聲等方面的進步既方便了設計者，也向他們提出了新的挑戰。 微處理器在向較低的電壓水平進軍的過程中一馬當先。處理器I/O電壓正從1.8V轉移到1.5V，而內核電壓能夠低於1V。下一代微處理器甚至將採用更低的電壓。外圍設備組件的電壓雖然也在降低，但水平通常落後於處理器一代左右。電壓降低方面的發展不均帶來了系統設計者必須解決的關鍵性難題——如何在信號電平之間進行可靠的轉換。正確的信號電平可以保證系統的可靠工作，它們能夠防止敏感IC因過高或者過低的電壓條件而受損。雙電源轉換採用雙軌方案具有滿足各方面性能的要求。

SPI 的時鐘速率可超出20Mbps ,並由CMOS 推輓式邏輯輸出級驅動。數據傳輸的單向性簡化了轉換器的設計。由於不必考慮數據在單條信號線上的雙向傳輸問題,因此,可以利用圖1所示的簡單電阻———二極管方案或晶體管方案。 雙向總線電平轉換需要考慮在單條信號線上實現數據的雙向傳輸,這在具體實施時比較困難,電阻———二極管結構或單晶體管由於受其固有的單向傳輸特性的制約而無法勝任這項工作。I2C、SMBus、Dallas 半導體公司的1 - wire 均為雙向傳輸總線, 同時都是漏極開路I/ O 拓撲。其中I2C具有三種速率範圍,分別為低於100kbps 的標準模式、低於400kbps的快速模式和低於3. 4Mbps 的高速模式。

在單向電平轉換器件中, 對於那些能夠將較高邏輯電平轉換成較低邏輯電平的器件, IC製造商規定了器件所允許的輸入範圍,在規定的輸入範圍內,器件能夠將其輸入嵌位在過壓容限內。由於具有輸入過壓保護的邏輯器件能夠承受的輸入電壓高於其供電電壓,因此,這些器件簡化了高邏輯電平至較低邏輯電平(Vcc 邏輯電平) 的轉換方案。而在高扇出或高容性負載連接器的設計中, 任何邏輯器件在降低電源電壓的同時,其輸出驅動能力也隨之降低,只有3. 3V CMOS/ TTL 與5V標準TTL 之間的轉換是一個特例。因為3. 3V 邏輯與5V 邏輯的門限是相同的。SPI 總線既需要較高邏輯電平至較低邏輯電平的轉換, 也需要將較低邏輯電平轉換到較高的邏輯電平。例如在處理器採用1. 8V 邏輯而外設邏輯為3. 3V時。當然, 利用上述分立方案也可以實現這種轉換, 但MAX1840/ MAX1841 或MAX3390 等單片方案則可大大簡化設計過程,如圖2所示：

在通過並行總線進行電平轉換時, 由於通常已存在WR 和RD 信號, 因而可以採用總線開關(如74CBTB3384) 來實現不同邏輯電平之間的數據連接。對於單總線或2 線接口,一般需要考慮兩個問題:一是要有單獨的使能控制引腳來控制數據流向(佔用有效的控制端口) ,二是芯片尺寸較大(佔據較大的線路板尺寸) 。任何設計都存在正、反兩個方面的影響,但設計人員通常希望其能夠工作在任何邏輯電平,也就是希望其是一個既可實現由高電壓邏輯至低電壓邏輯的轉換,也可實現低電壓邏輯至高電壓邏輯的轉換, 既可完成單向電平轉換, 也能完成雙向電平轉換的通用器件。新一代雙向電平轉換器MAX3370 即可勝任上述工作, 無論它工作在低電壓邏輯, 還是工作在高電壓邏輯,均可依靠外部輸出驅動吸入電流來實現電平轉換的柵極傳輸(圖3) 。這種結構使該器件既可工作於漏極開路輸出級, 也可工作於推輓式輸出級。而且,MAX3370 具有相當低的導通電阻(低於135Ω) ,對數據傳輸速率的影響很小。圖3是MAX3770 的內部結構, 該器件具有兩個優點: 首先對於漏級開路拓撲, MAX3370 內部的10kΩ 上拉電阻與“加速”開關的並聯電路既省去了外部上拉元件, 也減小了由於RC 時間常數造成的紋波。在大多數漏極開路輸出電路中,數據速率受RC 時間常數的影響較大。而採用獨特“加速”結構的MAX3770 則大大提高了數據上升沿的上拉速,減小了容性負載的影響, 其允許數據速率高達2Mbps ,因而大大改善了傳統設計的性能; 其次, 由於MAX3370 器件採用的是微型SC70 封裝,因此可有效節省線路板的空間。

MAX3370 可以實現最低1. 2V、最高5. 5V 邏輯電平的轉換, 能夠滿足絕大多數設備對電平轉換的要求。需要説明的是: MAX3370 僅提供單線通用邏輯電平轉換。如果設計中存在多個I/ O 口線,則應參照表1 選擇其它芯片。隨着系統I/ O 電壓數量的增多, 電平轉換的設計也更加複雜。設計時需要綜合考慮容性負載、Vcc壓差的幅度和數據速率等問題。對於從較高邏輯電平至較低邏輯電平的轉換, 只要保證電平轉換中的Vcc 壓差符合器件所允許的容限即可。而在處理低電壓邏輯至高電壓邏輯的轉換, 且同時存在較大的Vcc 壓差時,問題將變得非常棘手。雙向電平轉換或漏極開路輸出結構都對數據速率的制約較大, 而Maxim的電平轉換器則利用其獨特的電路結構簡化了電平轉換的設計。它能夠在較寬的電壓範圍實現單向、雙向電平轉換,並可提供漏極開路或推輓式輸出。這些器件採用微小的封裝形式, 不需要任何外部元件,同時可大大節省線路板空間。