邏輯電平轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展動態(tài)

74系列邏輯器件從問世的40多年以來，雖然一直受到來自可編程器件和系統(tǒng)級芯片的激烈競爭，但依然有一定的市場需求。它們通常能以高效和高性價比的方案來處理與顯示的接口、在電路板或背板上傳送信號、處理多信號位操作、信號屏蔽、啟動芯片等類似問題。

新一代邏輯器件已經(jīng)出現(xiàn)，其特點是工作電壓低，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)計師需要使用能在不同電壓下運行的邏輯器件，一般來說，使用只支持一個輸入電壓運行的器件來建造整個系統(tǒng)是不可能的。此外，成功的系統(tǒng)設(shè)計依賴于能夠有效實現(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)計需要注意這些，因為器件必須能夠?qū)θ魏屋斎氲男盘栕龀稣_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顯示了對不同電源電壓和器件技術(shù)的閾值。為了成功的連接兩個器件，必須滿足以下條件：驅(qū)動器的VOH必須比接收器的VIH高，驅(qū)動器的VOL必須比接收器的VIL低，驅(qū)動器的輸出電壓不能超過接收器能夠承受的輸入/輸出電壓。

這些條件意味著一個擁有較高的輸入/輸出電壓的器件可以驅(qū)動一個較低電壓的器件，只要較低電壓的器件可以承受對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。如果輸入信號上升或下降較慢，器件在較低電壓標(biāo)準(zhǔn)的極限值會轉(zhuǎn)換，從而擾亂輸出信號。這可能會出現(xiàn)問題，比如對時鐘負(fù)載周期產(chǎn)生微小變化。

另一方面，較低電壓輸出無法驅(qū)動較高電壓的輸入。擁有漏極開路輸出的器件可以通過使用外部的負(fù)載電阻在較高或較低電壓下驅(qū)動輸入。圖2展示了推挽電路如何驅(qū)動增加的一個漏極開路驅(qū)動器，輸出的晶體管電源通過一個負(fù)載電阻連接在驅(qū)動器件的VCC。這種結(jié)構(gòu)適用于低到高或高到低的轉(zhuǎn)換。

74LVC06A/74LCX06是一個低電壓(3.3伏)16進制反向器/緩沖的例子，擁有允許過壓的輸入和漏極開路輸出。這個器件可以在需要高到低或者低到高電壓轉(zhuǎn)換時驅(qū)動數(shù)據(jù)線。

使用漏極開路器件轉(zhuǎn)換電平的一個缺點是當(dāng)輸出的晶體管被啟動時，在輸出為低的條件下，持續(xù)的電流將通過負(fù)載電阻流向地。這會帶來相對較高的功率消耗。提高負(fù)載電阻值可以減小電流，但由于負(fù)載電阻和電容帶來的綜合效應(yīng)，時間系數(shù)會較長。這會減慢信號邊沿，對某些高速轉(zhuǎn)換或總線應(yīng)用不實際。

總線開關(guān)/FET-開關(guān)轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換總線開關(guān)、或FET開關(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簡單展示了一個啟動信號如何被用來啟動總線開關(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。

對一個字節(jié)或詞長度的總線進行轉(zhuǎn)換時，讀或?qū)懙男盘柨梢杂脕韱娱_關(guān)。對較小的單線或雙線總線進行電平轉(zhuǎn)換時，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，也可以進行單向和／或者雙向轉(zhuǎn)換。圖4顯示了MAX3373芯片，省去了單獨的使能腳，同時集成了一個加速開關(guān)從而將電容負(fù)載對信號速度的影響降至最低。這樣，推挽式驅(qū)動器產(chǎn)生的信號可以以高達20Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)。