雙電源信號電平轉換的優(yōu)勢

2004年4月B版

　　很多電子系統繼續向更低的電壓信號水平轉移。這個(gè)發(fā)展潮流背后的動(dòng)力是對減少功耗的需求。更快的整流速度和降低信號噪聲等方面的進(jìn)步既方便了設計者，也向他們提出了新的挑戰。

　　微處理器在向較低的電壓水平進(jìn)軍的過(guò)程中一馬當先。處理器I/O電壓正從1.8V轉移到1.5V，而內核電壓能夠低于1V。下一代微處理器甚至將采用更低的電壓。外圍設備組件的電壓雖然也在降低，但水平通常落后于處理器一代左右。電壓降低方面的發(fā)展不均帶來(lái)了系統設計者必須解決的關(guān)鍵性難題——如何在信號電平之間進(jìn)行可靠的轉換。正確的信號電平可以保證系統的可靠工作，它們能夠防止敏感IC因過(guò)高或者過(guò)低的電壓條件而受損。

信號電平轉換的問(wèn)題和優(yōu)點(diǎn)

　　未能達到供電電平的輸入/輸出電壓會(huì )減少信號噪聲的余量，信號要求精確定時(shí)也會(huì )引起占空度失真問(wèn)題。超過(guò)最大輸入電平的輸入信號會(huì )造成過(guò)多的能量消耗，在電池供電的系統中特別不希望出現這種情況。在最壞的情況下，過(guò)壓甚至會(huì )導致裝置失效，超過(guò)最大電平幾百mV的信號就足以損壞一個(gè)微處理器。

　　鑒于信號采用軌－軌形式而且在大多數情況下采用單個(gè)器件，雙軌器件成為最簡(jiǎn)單、最可靠、最有效利用空間的轉換方式(圖1)。然而，雙軌轉換器亦有一些常采用的替代辦法，每一種方法都具有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)。

　　有時(shí)，可能沒(méi)有必要采用特殊的轉換電路。當電壓更低的裝置有過(guò)壓容限(over-voltage tolerant，OVT)輸入時(shí)，就可以選用單向的、由高到低的轉換。此外可以在信號通路中添加一個(gè)OVT緩沖器或者總線(xiàn)開(kāi)關(guān)，來(lái)提供這一功能。在此種應用中，OVT緩沖器具有簡(jiǎn)易、低成本和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。然而，對于雙向轉換而言，低電壓輸出信號必須跨越高電壓輸入的開(kāi)關(guān)門(mén)限。缺點(diǎn)包括占空度失真和高電壓側噪聲裕度降低(圖2)。

　　對于要求由低向高或者雙向轉換電平的應用，可以將漏極開(kāi)路緩沖器和外接上拉電阻組合起來(lái)使用。利用這種方法，緩沖器以較低電壓工作，通過(guò)使用外部上拉電阻把輸出電平設置為高電壓(每路輸出有一個(gè)上拉電阻)。雖然能解決雙向和由低到高的轉換問(wèn)題，但這種做法也增加了元器件的數目、電路板的占用空間、能量消耗，而且常常影響到占空度失真。

　　定制的轉換器也能基于分立式的場(chǎng)效應管(FET)來(lái)設計。定制設計通過(guò)提供精確的比特寬度和所要求的功率而具有靈活的特點(diǎn)；但是定制也增加了器件數量，由于裝配成本上升，系統成本和所需的板上空間也隨之增加。定制還會(huì )拖長(cháng)設計時(shí)間，增加了開(kāi)發(fā)進(jìn)度不能按時(shí)完成的危險。

　　最可靠方便的選擇是雙軌轉換器，它保證在裝置的兩端都能有正確的輸入/輸出電壓。通過(guò)將獨立的電源管腳連接到適當的電源上，可以設定信號電平。于是，轉換器輸入/輸出電平就可以相應的隨著(zhù)電源電壓而變化。雙軌轉換器消除了設計和成本的難題，提供了一種經(jīng)過(guò)檢驗的、現成的裝置，允許設計者配置元件每一端的輸入/輸出信號，使其恰好變化到所需的電壓上，同時(shí)盡量減少需要外加的器件數。由電壓擺動(dòng)引起的問(wèn)題，比如沒(méi)有達到信號電平，或者超過(guò)了額定值，都將由此而消除。

雙軌轉換系統設計要考慮的問(wèn)題

　　雖然雙軌轉換器提供了最簡(jiǎn)單的電壓電平轉換方法，但是其具體實(shí)現還存在問(wèn)題。雙軌轉換器產(chǎn)品的獲得越來(lái)越方便，而且品種也越來(lái)越多樣。然而，供應商和產(chǎn)品不同，其器件性能指標和功能性就會(huì )有所不同。在系統設計中考慮采用轉換器時(shí)，必須考慮到器件的工作性能指標。

　　對系統時(shí)序的影響是需要考慮的主要問(wèn)題之一。緩沖器給系統增加了傳播延遲，由于它們的復雜性，這個(gè)傳播延遲對于雙軌轉換器是重要的，尤其是對較早的工藝，或者當轉換需要跨越一個(gè)寬的電壓范圍時(shí)。當轉換的幅度低于1.5V時(shí)，傳播時(shí)間可能超過(guò)10 ns。由于速度是重要因素，因此新式的轉換器產(chǎn)品將減少延遲。

　　系統設計者需要考慮的另一個(gè)參數是輸出驅動(dòng)。大多數雙軌轉換器以3.3V(24mA)的高壓進(jìn)行驅動(dòng)，允許元件被用于要求使用電纜或者線(xiàn)路驅動(dòng)的應用。然而，一般而言，驅動(dòng)電流是隨元件的電源電壓降低而成比例減少的，額定電壓為3.3V、輸出驅動(dòng)為24 mA的元件，在1.9V時(shí)可能僅提供6mA的電流。輸出負載和時(shí)序預算的設計必須考慮到電源電壓和輸出驅動(dòng)間的關(guān)系。

　　對具有雙電源的裝置而言，要考慮的最后一個(gè)問(wèn)題是電源被施加到VCC和控制管腳的順序。轉換器控制管腳由雙電源中的一個(gè)電源進(jìn)行供電，因此，大多數轉換器要求對每個(gè)電源和控制管腳的供電要遵循一定的次序。如果電源先施加到輸入/輸出管腳，而后再施加給控制管腳，則有可能導致不可控的振蕩。如果控制管腳首先掉電，相同的問(wèn)題也會(huì )出現。這個(gè)不可控狀態(tài)的可能結果包括：過(guò)大的功耗和系統損壞。因此，上電和掉電的先后次序必須得到嚴格地保證。新型的轉換器產(chǎn)品則讓輸出在兩個(gè)電源都達到有效水平之前保持在高阻抗狀態(tài)，從而解決了供電次序的問(wèn)題。

結語(yǔ)

　　雖然還有其它一些可用于雙電源器件信號電平轉換的方法，但它們的使用局限于單向的由高到低轉換，而另外的一些選擇方案要求通過(guò)多個(gè)分立組件來(lái)解決轉換問(wèn)題。對于空間有限的、由低到高或者雙向轉換的應用，這些方法都不是最好的選擇。利用雙軌轉換器實(shí)現設計，就可以保證轉換不出差錯且能防止系統受損。雙電源轉換器能確保兩個(gè)端口上的信號達到整個(gè)擺幅，消除了電壓高于或者低于電壓限帶來(lái)的問(wèn)題，并且提供了簡(jiǎn)單的、節省空間的轉換方法，以滿(mǎn)足任何性能方面的需求?！?BR>