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现代电子系统关于数据传送中逻辑电平转换新技术

(时间:2006-2-5 21:14:26 共有 人次浏览) [信息来源:互联网]

  摘要:本文要着重研究在串行数据系统((SPI, ,USB,1—Wire)中不同的逻辑电平范围之间如何解决转换的新技术,同时也对低压DSP与5V器件的电平转换技术作分析,从中也应对逻辑电平的基本原理作出说明。

  1、现代电子系统带来的新问题众所周知,常用数字电子系统中TTL和5V的COMS早己成为逻辑电路的主导标准。如今电子设计已发生了相当大的改变,现代电子系统技术的复杂与发展导致了低电压逻辑电平的产生,同时又出现了在一个系统内部输人输出逻辑电平互不兼容的新问题,例如,当工作于1.8V的数字电路和工作于3.3V的模拟电路在互相通信时就会有这个问题。为此,针对现代电子系统技术出现的逻辑电平转换新问题,本文要着重研究在串行数据系统((SPI, ,USB,1—Wire)中不同的逻辑电平范围之间如何解决转换的新技术,同时对低压DSP与5V器件的电平转换技术作分析,从中也应对逻辑电平的基本原理作出说明。

   2、数字集成电路出现的新情况越来越多的数字集成电路出现的新情况可归纳约有以下几种:采用了与以往不兼容的电源电压;更低的VDD;或者微处理器内核电压(VCORE)和输入输出接口电压(VI/O)不同的双电源供电等等。从而就提出了对于逻辑电平应转换的要求。若低电压混合信号集成电路如未能与其配合的数字器件的发展保持同步,也就需要使用逻辑电平转换。

  3、逻辑电平的转换方法

  3.1应该说,逻辑电平的转换方法有多种,它们的应用将根据不同情况,即要转换电平的范围和需要转换的信号线数(例如,一个4线的串行外设接口SPI与32位数据总线间的转换)以及数字信号速率的不同而作出不同选择。目前许多逻辑集成电路能够将高电平转换成低电平(如将5V转换到3.3V逻辑),但很少能将低电平转换成高电平(如将3.3V转换到5V)。而传统的逻辑电平转换方法可通过一个分立的晶体管或甚至是一个电阻与二极管的组合实现,但这些方法固有的寄生电容会降低数据传输速率。尽管已有字节宽度的和字宽度的电平转换器件,但它们对本文讨论的信号速率<20Mbps的串行总线(SPI, ,USB等)并不理想,而对于小型串行总线和外设接口  来讲那些封装尺寸大、需要使用很多引脚和I/O方向引脚的转换器也并不理想。          

  3.2 串行外设接口(SPI) 单向电平转换-简易拓扑串行外设接口(SPI)通常用于DSP控制器和外部设备或其它控制器之间的通信。它由单向控制线组成,即数据入、数据出、时钟和片选。需要指出的是,SPI的物理描述之一为: 4个I/O管脚,即SPIMISO(SPI主输入,从输出)、SPIMOSI(SPI从输入主输出)、SPICLK(SPI时钟)、SPISTE(SPI控制)。而数据入和数据出也被称为主入从出(MISO)和主出从入(MOSl)。串行外设接口(SPI)能够使用超过20Mbp的时钟信号并使用CMOS推挽逻辑。由于SPI是单向的,没有必要在同一根信号线上实现双向转换。这使电平转换变得简单一些,因为可以采用电阻与二极管(见图1)或分立/数字晶体管(见图2)等简单方案。

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  3.3 、SMBus和1—Wire(一线)其电平转换接口应用双向、漏极开路拓扑。有3个速度范围:≤100kbps的标准模式,≤400kbps的快速模式,≤3.4Mbps的高速模式。双向总线的电平转换更加困难,因为必须在同一根数据线上进行双向转换。若用基于电阻/二极管或集电极/漏极开路的单级晶体管转换器的简易拓扑就无法满足要求,其因是由于它固有的单向性,不能工作于双向总线。

  3.4输入过压容差器件的应用为什么在要高到低逻辑电平转换时要采用输入过压容差器件?所谓过压输入的器件是指具有输入过压保护的逻辑器件,它能够承受(不被损坏)高于其电源电压的输入电压。输入过压容差器件的应用也是为了将逻辑电平由高向低转换,这种具有输入保护的器件简化了从高Vcc到低Vcc逻辑的转换任务,同时又增加了信噪比裕度。容许过压输入,例如容许1.8伏供电的逻辑器件接受1.8V或更高的逻辑电平输入。LVC(低压电容器)逻辑系列的器件,大部分具有输入过压保护功能的,在需要由高向低转换的应用中非常合适。但是在相反的情况,即由低到高的转换并不如此简单。这是因由低电压逻辑产生高电压逻辑的域值电平(VIH)就很难实现。当设计的电路由于连接器和高扇出及杂散电容导致高负载电容时,这对于所有逻辑系列来讲,若降低电源电压就会降低驱动能力,这是值得注意的。但在3.3V的CMOS或TTL与5V标准TTL之间是一个例外。在这些逻辑系列中,因3.3V和5V逻辑的触发点(VOL,VIL,VIH,VOH)是相互匹配的。

  3.5用MAX1840/41为低电压高速小型低-高和高-低混合电平转换器与MAX8867为低噪声低压差线性电压调节器组合成低-高和高-低混合转换(指数据DATA电平转换)拓扑许多如SPI总线类的应用中要求低-高和高-低混合电平转换。例如,在内部采用CMOS电路,处理器内核电压为1.2V、1.8V、2.5V和工作于3.3V(TTL)的外设之间,就存在电平转换问题。尽管这些也可以使用以上方案进行组合,但也可使用单个芯片,如用MAXl840、MAXl84l芯片与MAX8867芯片组合就可以将一个带有SPI/QSPI/微wire接口能够实现高-低电平和低-高电平混合转换的要求(见图3)。从图3中可以出系统控制器和SPI/QSPI/微wire接口之间的高-低电平和低-高电平混合转换(这儿均指数据DATA电平转换)是是通过MAXl840/41转换器来实现的。该图3转换电路中MAX8867为低噪声低压差线性电压调节器,将5V稳压为3。3V,其工作电压可从2。5V-6。5V,输出电流高达300mA;MAX1840/41为低电压高速小型低-高和高-低混合电平转换器,对于系统控制器端的逻辑电平为1。4V-5。5V,而SPI/QSPI/微wire系统端逻辑电平为1。7V-5。5V。

 


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  3.6 MAX3370的应用-双向收发器方式电平转换方案由于集电极/漏极开路的单级晶体管转换器的简易拓扑固有的单向性,不能工作于双向总线,因而需要专用器件来解决双向收发器方式电平转换。

  3.61双向收发器方式电平转换在现代电子系统中,均具有对于更大型的字节或字宽度总线。对此总线而言,由于已有WR和RD信号,则在不同逻辑电平之间传递数据的方法之一是使用如74CBTB3384类的总线开关器件,这类器件专门针对在3.3V和5V之间的电压下工作进行了优化。但对小型的1线或2线的总线,这种方法有两个问题。首先,需使用独立的使能引脚控制数据传输方向,这会占用宝贵的端口引脚资源。

  其次,若需要使用大型IC,则会占用宝贵的电路板空间。怎么办?应该说,目前所有的方案都有其优缺点,而实际上往往需要的是一款通用器件,既能工作于所有电平,将允许低到高电平和高到低电平的混合转换,又能进行单向和/或双向的转换。对此,采用新一代双向电平转换器(MAX3370-MAX3393 IC系列的MAX3370)既能满足这些要求,还能克服使用其它方案带来的问题。那么该MAX3370芯片的拓扑有什么特点会带来如此的优势?MAX3370是当今体积最小的双向电平转换器,使用的是一种传输门方法以实现电平转换(见图4)。它依赖外部输出驱动器吸收电流,无论是工作在低电压还是高电压逻辑范围。这使该器件既能与漏极开路也能与推挽式输出级一起工作。而且,传输门的导通电阻(小于135Ω) 相对较低,这对转换速率的影响远小于图l中串接的电阻。MAX3370为5引脚芯片,其中Vcc电压范围是2.5V-5.5V,VL电压范围是+1.6V-5.5V,引脚I/OVL与I/OVcc均与DATA(被转换的接口)脚相接。 MAX3370允许数据传送从Vcc端刭VL端和从VL端刭Vcc端。

 


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  特别需要说明的是MAX3370实际上是个具有双向传输门技术的电路,只不过很灵活的应用了一个金属氧化物半导体漏极开路拓扑,它能使高(Vcc)-低( VL)电平和低(VL)-高(Vcc)电平同时双向转换(见图4中箭头指向),从而解决了不同逻辑电平之间数据(DATA)的双向收发传递(I/OVL→I/OVcc, I/OVL ←I/OVcc)其最典型的应用线路如图5所示。

 


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  图4所示的MAX3370电路还有另外两个优势。首先,对漏极开路拓扑,MAX3370使用一个10kΩ的上拉电阻与“加速”开关并联,最大程度降低了对外接上拉电阻的要求,同时还降低了与传统漏极开路拓扑有关的RC时间常数斜率。其次,MAX3370的微型SC70封装还能节省宝贵的电路板空间。

  3.62速率问题的解决对其它大多数漏极开路方案,RC时间常数都会限制有效数据速率。但MAX3370 IC系列包括一个加速机构,主动拉升上升沿,从而最大程度降低了容性负载的影响。当输入超过预定义的门限时,器件主动拉升上升沿,从而最大程度降低由外部寄生元件引起的偏斜。这使其能够转换由推挽驱动器产生的数据速率最高达20MHz的信号。对源自漏极开路驱动器的信号转换速率低一些。对于其它的漏极开路拓扑,可通过外接上拉电阻提高速率。

  4、任何速度与任意两种逻辑电平的通用转换器

  4.1应用中理想要求是单独一个元件能以任何速度转换任意两种逻辑电平,这是在复杂电子糸统经常遇到而又必须解决的通用电压问题。 MAX337x系列的IC是为低至1.2V高至5.5V的逻辑电平所设计的任意两种逻辑电平的转换器。采用该系列的一个芯片基本上就能解决提应用中需要的任意电平的转换,而摒弃了对每一种电平转换都需要选择一种逻辑器件的烦脑。以前,在同一个电路中实现低到高和高到低的电平转换只能分别使用独立的芯片。现在,MAX337x系列为双向而与拓扑无关(推挽和漏极开路)的一个单独芯片即可解决低到高和高到低这两个问题。MAX3370是一个单线、通用电平转换器。如需转换更多数量的I/O信号线,可用MAX337X系列中列出的各型号器件,如MAX3377/8、MAX3379、MAX3390-3、MAX3000/1、MAX3014-28等等,值此不一一赘述。

  4.2 电平转换技术的复杂与应对随着每个系统中I/O所需电源电压种类的增多,对电平转换技术的需求更加紧迫,特别是电子系统的负载电容与Vcc电压幅度差异及数据速率等问题又使电平转换技术更加复杂化。虽然对于高到低的电平转换,如果转换电压差异较小,应用容许过压输人的逻辑IC则问题就解决了。但是,要有能转换较大Vcc电压差异和将低电平转换成高电平能力的IC或分立元件电路就比较困难了,而双向和漏极开路拓扑又并不很适合高速率数据。MAX337X系列电平转换器的优势在于,它降低了在宽电压范围内单/双向、推挽和漏极开路拓扑电平间转换的难度。这些IC提供极小的封装,标准应用中不需任何外部元件。

  5、低压DSP与5V器件的电平转换技术

  5.1低压DSP出现需要电平转换在现代电子系统中,特别是数字电路中的数字信号处理器DSP芯片设计,越来越多地采用了低电压工作器件。DSP芯片电源电压的特点是, 芯片内部电压(VCORE)采用CMOS电路,有2.5 V、1.8 V、1.2 V等多种,其I/O管脚电平是3.3 V的TTL,因此给这类DSP供电要用多种电源(如5 V、3.3 V和1.8 V等,分别给I/O电源管脚和内核电源管脚供电)。虽然DSP采用低电压工作,但国内常用的器件仍是为多5 V的,例如存储器(EPROM、RAM)、模数转换器(A/D)与数模转换器(D/A)及各类计算机的接口等等。由于低压DSP的管脚电平是3.3V,且允许输入信号电压范围是0-3.6V,不能承受5V信号,与5 V器件接口时,通常应将双方的信号电平作转换后才能再相连。即使DSP是单5V工作的,与3.3V的低压器件接口时,如果这类3.3V的低压器件不能承受5 V电压,也需要在DSP和低压器件之间,加电平转换电路。

  5.2电平转换电路在对这两种电平转换时,应了解相关器件承受的电压范围和高低电平的门限值。对低压DSP来说,其管脚信号的高低电平门限值与普通5 V TTL门限是一致的,这DSP的输出可以直接驱动5 V器件的输入,不用加电平转换;但5 V器件送DSP的数据信号,必须经过74LVC245等器件后才能连到DSP的输人上。图6给出了DSP与5 V EPROM器件的电平转换连接示例图。其74LVC645为八进制3态总线收发两用电路,3态输出双向汇流排收发器可直接驱动汇流排;输入是PNP晶体管。如果将5V器件的输出直接加在低压DSP管脚上,会超过DSP管脚的耐压限度(3.3 V I/O管脚只耐3.6 V输入电压),而使DSP损坏或工作异常。

 


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  图6中的74LVC645的电源为3.3V,允许的最高电源电压为4.6V,其用法与一般的74LVC245相同,它的输出信号电平是3.3V,可以耐受高达5.5 V的输入信号。其他类似的型号还有74245、16路双向驱动器74l6245、锁存器74574等,这些器件的使用很方便。对5 V DSP和低压器件来说,都要考虑低压器件的耐压限度,有的低压器件和74LVC245一样,可以耐受5 V的输入信号,可直接和DSP相连;而有的低压器件只能耐受3.6 V输入电压,这就必须加电平转换。

  6、结束语上述分析的是现代电子系统中串行数据系统((SPI, ,USB,1—Wire)与低压DSP与5V器件二类问题逻辑电平转换新技术的分析概述,均是指解决在数据传送中逻辑电平转换问题。至于如何应用这此方法与器件,是应根据所设计系统的传输速率、电平范围、I/O引脚的电源电压等转换要求来选择。在低压DSP与5V器件的电平转换技术中除了上述方法之外,为了降低设计成本,对于单向传送的信号还有与电阻与二极管(图1)或立/数字晶体管(图2)一样简易法,即低压DSP从5 V EPROM读取代码,可以采用电阻分压方式:从器件5V上对地之间接一电阻R1(1KΩ)与电阻R2(2KΩ)相串联的电阻,并从R1与R2连接中间取出3.3V至DSP上,这样省去了转换器。

  反之,5 V DSP和低压器件连接可以采用电阻分压方式解决。无论何种方法其中需要注意的是在设计电平转换时,应首先了解相关器件承受的电压范围和高低电平的门限值,力求获得性能价格较高的电平转换器。


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