混合逻辑电平的接口技术

３３.３Ｖ和５.０Ｖ电平信号的转换

在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件互相接口时存在以下几个问题：

第一，加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或者分离元件接到Ｖｃｃ。如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在３．３Ｖ器件的输入端加上５Ｖ的信号，则５Ｖ电源会向３．３Ｖ电源充电。持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。

第二，两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时，３．３Ｖ电源降落到０Ｖ，大电流将流通到地，这使得总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管在３．３Ｖ的工作状态还是在０Ｖ的等待状态都不允许电流流向Ｖｃｃ。

第三，接口输入转换门限问题。５Ｖ器件和３．３Ｖ器件的接口有很多情况，同样ＴＴＬ和ＣＭＯＳ间的电平转换也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平，并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。

基于上述情况，５Ｖ器件和３．３Ｖ器件是不能直接接口的。有些半导体器件制造厂家就推出了具有５Ｖ输入容限的３．３Ｖ器件，这种器件输入端具有ＥＳＤ保护电路。实际上数字电路的所有输入端都有一个ＥＳＤ保护电路，传统的ＣＭＯＳ电路通过接地二极管对负向高电压限幅，正向高电压则由二极管钳位。这种电路的缺点是最大的输入电压被限制在３．３Ｖ＋０．５Ｖ（二极管压降）以内（否则电流将流向３．３Ｖ电源）。而大多数５Ｖ系统输出端的电压可达３．６Ｖ以上，因此采用了这种电路结构的３．３Ｖ器件是不能与５Ｖ器件输出端直接接口的。如果采用相当于快速齐纳二极管的ＭＯＳ场效应管代替上述钳位二极管，实现对高电压限幅，并且去掉接到Ｖｃｃ（３．３Ｖ）的二极管，那么最大输入电压不受Ｖｃｃ（３．３Ｖ）的限制。典型情况下，这种电路的击穿电压在７Ｖ～１０Ｖ之间。因此，这种改进后具有ＥＳＤ保护电路的３．３Ｖ系统的输入端可以承受５Ｖ的输入电压。为了防止在３．３Ｖ器件的输出端可能存在电流倒灌问题，还需要在输出端加保护电路，当加到输出端电压高于Ｖｃｃ（３．３Ｖ）时，保护电路的比较器会断开电流倒灌通路，这样在三态方式时就能与５Ｖ器件相连。

分析各种逻辑电平信号的电特性（见表１），会发现有以下五种接口情况：

第一，相同供电电压的ＴＴＬ器件驱动ＣＭＯＳ器件时，ＴＴＬ器件的输出高电平可能达不到ＣＭＯＳ器件的输入高电平的最小值。３．３ＶＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，３．３ＶＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．８ＶＣＣ（３．３Ｖ×０．８＝２．６４Ｖ）；５．０ＶＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，５．０ＶＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．７ＶＣＣ（３．５Ｖ）。为了可靠地传输数据，可以将ＴＴＬ器件的输出端上拉。有些ＣＭＯＳ工艺制造的器件兼容ＴＴＬ电平，这样就可以与相同供电电压的ＴＴＬ器件直接接口，不需要上拉。

第二，相同供电电压的ＣＭＯＳ器件驱动ＴＴＬ器件，电平匹配，数据能可靠地传输。

第三，不同供电电压的ＴＴＬ器件驱动ＣＭＯＳ器件时，ＴＴＬ器件的输出高电平也可能达不到ＣＭＯＳ器件的输入高电平的最小值。３．３ＶＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，５．０ＶＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．７ＶＣＣ（３．５Ｖ），电平不匹配；５．０ＶＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，３．３ＶＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．８ＶＣＣ（２．６４Ｖ），可以将５．０ＶＴＴＬ器件的输出端上拉，达到电平匹配的目的。

第四，不同供电电压的ＣＭＯＳ器件驱动ＴＴＬ器件时，在输入端具有５Ｖ容限的情况下，电平匹配，数据能可靠地传输。

第五，不同供电电压的ＴＴＬ器件在输入端具有５Ｖ容限的情况下可以直接接口；不同供电电压的ＣＭＯＳ器件由于电平不匹配不能直接接口。

由以上分析可知，不同逻辑标准的电平信号一般是不能直接接口的。在只有少量信号需要电平转换的情况下，可以考虑上拉电阻或选择具有５Ｖ输入容限的器件，甚至可以考虑电阻分压降低输入电压的办法。对于大量信号需要电平转换的情况，为了可靠传输数据，可以采用双电压（一边是３．３Ｖ，另一边是５Ｖ）供电的双向驱动器来实现电平转换。如仙童半导体公司的７４ＬＶＸ４２４５、ＴＩ公司的ＳＮ７４ＡＬＶＣ１６４２４５、ＳＮ７４ＡＬＶＣ４２４５
等芯片，可以较好地解决３．３Ｖ与５Ｖ电平的转换问题。

４３.３Ｖ、５.０Ｖ电平信号与ＲＳ－２３２电平信号的转换

在ＴＦＴ彩色液晶网络终端系统中，ＩｎｔｅｌＰＸＡ２５５微处理器有３个与１６５５０标准兼容的ＵＡＲＴ端口，３．３ＶＣＭＯＳ逻辑结构。终端外围设备一般都遵守ＲＳ－２３２Ｃ标准的串口，因此必须进行ＥＩＡ－ＲＳ－２３２Ｃ与ＩｎｔｅｌＰＸＡ２５５电平和逻辑关系的转换。实现这种变换的方法很多，可用分离元件，也可用集成电路。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如ＭＣ１４８８、ＳＮ７５１５０等芯片可完成ＴＴＬ电平到串口电平的转换。ＭＣ１４８９、ＳＮ７５１５４可实现串口电平到ＴＴＬ电平的转换。ＭＡＸ２３２／ＭＡＸ２３２Ａ、ＭＡＸ３２２１／ＭＡＸ３２２３等芯片可完成多路３Ｖ～５Ｖ电平与串口电平的双向转换。在ＴＦＴ彩色液晶网络终端系统中，串口多达８路，从价格和电路的复杂性等方面考虑，选用Ｉｎｔｅｌｓｉｌ公司的ＨＩＮ２３２。ＨＩＮ２３２的供电电压是５．０Ｖ，它的接收模块的输出管脚、发送模块的输入管脚的逻辑电平与ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容。

５３.３Ｖ电平信号与ＬＶＤＳ信号的转换

ＩｎｔｅｌＰＸＡ２５５微处理器的ＬＣＤ控制模块提供１６位显示数据，行、场同步信号，象素时钟，输出使能信号。在ＴＦＴ显示模式下，红色５位，绿色６位，蓝色５位。这些信号都是３．３ＶＣＭＯＳ电平。国家半导体公司推出的ＤＳ９０Ｃ３８５发送器，专用于将ＬＶＴＴＬ和ＬＶＣＭＯＳ信号转换为ＬＶＤＳ数据流。在选用转换芯片时，一定要注意转换速率是否满足系统需要。

在今后的数字逻辑系统的设计中，会经常遇到混合逻辑电平的接口问题。只要深入理解各种逻辑电平的电特性，同时注意一些具体问题，例如转换速率等，就能设计出正确的接口电路，保证数据可靠传输。