邏輯電平轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)

74系列邏輯器件從問(wèn)世的40多年以來(lái)，雖然一直受到來(lái)自可編程器件和系統(tǒng)級(jí)芯片的激烈競(jìng)爭(zhēng)，但依然有一定的市場(chǎng)需求。它們通常能以高效和高性價(jià)比的方案來(lái)處理與顯示的接口、在電路板或背板上傳送信號(hào)、處理多信號(hào)位操作、信號(hào)屏蔽、啟動(dòng)芯片等類似問(wèn)題。

新一代邏輯器件已經(jīng)出現(xiàn)，其特點(diǎn)是工作電壓低，可以和其他低電壓的器件，例如采用領(lǐng)先65納米和45納米工藝的FPGA、存儲(chǔ)卡以及微型控制器等，直接連接。內(nèi)核電壓可低至1.2V，而輸入輸出的電壓一般為3.3伏、2.5伏或1.8伏。

為了利用現(xiàn)有的元件種類和功能建立完整的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師需要使用能在不同電壓下運(yùn)行的邏輯器件，一般來(lái)說(shuō)，使用只支持一個(gè)輸入電壓運(yùn)行的器件來(lái)建造整個(gè)系統(tǒng)是不可能的。此外，成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴于能夠有效實(shí)現(xiàn)不同工作電壓器件之間連接的方法。

現(xiàn)在，邏輯器件的設(shè)計(jì)需要注意這些，因?yàn)槠骷仨毮軌驅(qū)θ魏屋斎氲男盘?hào)做出正確的判斷(是或非)。所以有必要保證不同類型和不同代的器件間的互用性，并且需要能夠支持不同的電平，例如3.3伏和5伏之間的轉(zhuǎn)換，或者更低的電壓標(biāo)準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換。

處理高電壓和低電壓

圖1顯示了對(duì)不同電源電壓和器件技術(shù)的閾值。為了成功的連接兩個(gè)器件，必須滿足以下條件：驅(qū)動(dòng)器的VOH必須比接收器的VIH高，驅(qū)動(dòng)器的VOL必須比接收器的VIL低，驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓不能超過(guò)接收器能夠承受的輸入/輸出電壓。

這些條件意味著一個(gè)擁有較高的輸入/輸出電壓的器件可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)較低電壓的器件，只要較低電壓的器件可以承受對(duì)其施加的最高電壓值。

單向電平轉(zhuǎn)換

允許超壓的器件在輸入的VCC沒(méi)有鉗位二極管，柵氧化層也較厚，使得器件可以接受比自身VCC更高的電壓。然而，這些器件也有一些限制。如果輸入信號(hào)上升或下降較慢，器件在較低電壓標(biāo)準(zhǔn)的極限值會(huì)轉(zhuǎn)換，從而擾亂輸出信號(hào)。這可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，比如對(duì)時(shí)鐘負(fù)載周期產(chǎn)生微小變化。

另一方面，較低電壓輸出無(wú)法驅(qū)動(dòng)較高電壓的輸入。擁有漏極開(kāi)路輸出的器件可以通過(guò)使用外部的負(fù)載電阻在較高或較低電壓下驅(qū)動(dòng)輸入。圖2展示了推挽電路如何驅(qū)動(dòng)增加的一個(gè)漏極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器，輸出的晶體管電源通過(guò)一個(gè)負(fù)載電阻連接在驅(qū)動(dòng)器件的VCC。這種結(jié)構(gòu)適用于低到高或高到低的轉(zhuǎn)換。

74LVC06A/74LCX06是一個(gè)低電壓(3.3伏)16進(jìn)制反向器/緩沖的例子，擁有允許過(guò)壓的輸入和漏極開(kāi)路輸出。這個(gè)器件可以在需要高到低或者低到高電壓轉(zhuǎn)換時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線。

使用漏極開(kāi)路器件轉(zhuǎn)換電平的一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)輸出的晶體管被啟動(dòng)時(shí)，在輸出為低的條件下，持續(xù)的電流將通過(guò)負(fù)載電阻流向地。這會(huì)帶來(lái)相對(duì)較高的功率消耗。提高負(fù)載電阻值可以減小電流，但由于負(fù)載電阻和電容帶來(lái)的綜合效應(yīng)，時(shí)間系數(shù)會(huì)較長(zhǎng)。這會(huì)減慢信號(hào)邊沿，對(duì)某些高速轉(zhuǎn)換或總線應(yīng)用不實(shí)際。

總線開(kāi)關(guān)/FET-開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換總線開(kāi)關(guān)、或FET開(kāi)關(guān)，是另一類可以在兩種不同的邏輯電平間連接的器件。圖3簡(jiǎn)單展示了一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)如何被用來(lái)啟動(dòng)總線開(kāi)關(guān)。它將A端口和B端口相連，并且提供追蹤VCC的電壓轉(zhuǎn)換。74CBTD和CB3T邏輯器件系列包含不同配置的總線開(kāi)關(guān)，例如雙路或四路設(shè)置。CB3T系列完全支持混合模式信號(hào)工作，包括5伏和3.3伏或5伏/3.3伏與2.5伏，也可以在介于2.3伏和3.6伏之間的VCC下工作。CBTD系列允許5伏和3伏之間的電平轉(zhuǎn)換。

對(duì)一個(gè)字節(jié)或詞長(zhǎng)度的總線進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，讀或?qū)懙男盘?hào)可以用來(lái)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。對(duì)較小的單線或雙線總線進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí)，如Maxim MAX3370–MAX3393系列等轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部電路可使器件在所有電平級(jí)工作，支持由低到高或高到低的混合邏輯電平轉(zhuǎn)換，也可以進(jìn)行單向和／或者雙向轉(zhuǎn)換。圖4顯示了MAX3373芯片，省去了單獨(dú)的使能腳，同時(shí)集成了一個(gè)加速開(kāi)關(guān)從而將電容負(fù)載對(duì)信號(hào)速度的影響降至最低。這樣，推挽式驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的信號(hào)可以以高達(dá)20Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)。