邏輯電平轉換技術(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級芯片的激烈競爭，但依然有一定的市場(chǎng)需求。它們通常能以高效和高性?xún)r(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、處理多信號位操作、信號屏蔽、啟動(dòng)芯片等類(lèi)似問(wèn)題。

新一代邏輯器件已經(jīng)出現，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、存儲卡以及微型控制器等，直接連接。內核電壓可低至1.2V，而輸入輸出的電壓一般為3.3伏、2.5伏或1.8伏。

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

現在，邏輯器件的設計需要注意這些，因為器件必須能夠對任何輸入的信號做出正確的判斷(是或非)。所以有必要保證不同類(lèi)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伏之間的轉換，或者更低的電壓標準間的轉換。

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(gè)器件，必須滿(mǎn)足以下條件：驅動(dòng)器的VOH必須比接收器的VIH高，驅動(dòng)器的VOL必須比接收器的VIL低，驅動(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(zhù)一個(gè)擁有較高的輸入/輸出電壓的器件可以驅動(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其施加的最高電壓值。

單向電平轉換

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。如果輸入信號上升或下降較慢，器件在較低電壓標準的極限值會(huì )轉換，從而擾亂輸出信號。這可能會(huì )出現問(wèn)題，比如對時(shí)鐘負載周期產(chǎn)生微小變化。

另一方面，較低電壓輸出無(wú)法驅動(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)使用外部的負載電阻在較高或較低電壓下驅動(dòng)輸入。圖2展示了推挽電路如何驅動(dòng)增加的一個(gè)漏極開(kāi)路驅動(dòng)器，輸出的晶體管電源通過(guò)一個(gè)負載電阻連接在驅動(dòng)器件的VCC。這種結構適用于低到高或高到低的轉換。

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換時(shí)驅動(dòng)數據線(xiàn)。

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

總線(xiàn)開(kāi)關(guān)/FET-開(kāi)關(guān)轉換器

轉換總線(xiàn)開(kāi)關(guān)、或FET開(kāi)關(guān)，是另一類(lèi)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)信號如何被用來(lái)啟動(dòng)總線(xiàn)開(kāi)關(guān)。它將A端口和B端口相連，并且提供追蹤VCC的電壓轉換。74CBTD和CB3T邏輯器件系列包含不同配置的總線(xiàn)開(kāi)關(guān)，例如雙路或四路設置。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伏之間的電平轉換。

對一個(gè)字節或詞長(cháng)度的總線(xiàn)進(jìn)行轉換時(shí)，讀或寫(xiě)的信號可以用來(lái)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。對較小的單線(xiàn)或雙線(xiàn)總線(xiàn)進(jìn)行電平轉換時(shí)，如Maxim MAX3370–MAX3393系列等轉換器，其內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換，也可以進(jìn)行單向和／或者雙向轉換。圖4顯示了MAX3373芯片，省去了單獨的使能腳，同時(shí)集成了一個(gè)加速開(kāi)關(guān)從而將電容負載對信號速度的影響降至最低。這樣，推挽式驅動(dòng)器產(chǎn)生的信號可以以高達20Mbps的速度傳輸數據。