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3.3V和5.0V电平信号的转换

上一篇 / 下一篇  2010-07-03 14:29:56 / 个人分类:数字/模拟电路设计

3.3V和5.0V电平信号的转换

在混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件互相接口时存在以下几个问题:

第一,加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或者分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高,则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在3.3V器件的输入端加上5V的信号,则5V电源会向3.3V电源充电。持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。

第二,两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时,3.3V电源降落到0V,大电流将流通到地,这使得总线上的高电压被下拉到地,这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是:不管在3.3V的工作状态还是在0V的等待状态都不允许电流流向Vcc。

第三,接口输入转换门限问题。5V器件和3.3V器件的接口有很多情况,同样TTL和CMOS间的电平转换也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。

基于上述情况,5V器件和3.3V器件是不能直接接口的。有些半导体器件制造厂家就推出了具有5V输入容限的3.3V器件,这种器件输入端具有ESD保护电路。实际上数字电路的所有输入端都有一个ESD保护电路,传统的CMOS电路通过接地二极管对负向高电压限幅,正向高电压则由二极管钳位。这种电路的缺点是最大的输入电压被限制在3.3V+0.5V(二极管压降)以内(否则电流将流向3.3V电源)。而大多数5V系统输出端的电压可达3.6V以上,因此采用了这种电路结构的3.3V器件是不能与5V器件输出端直接接口的。如果采用相当于快速齐纳二极管的MOS场效应管代替上述钳位二极管,实现对高电压限幅,并且去掉接到Vcc(3.3V)的二极管,那么最大输入电压不受Vcc(3.3V)的限制。典型情况下,这种电路的击穿电压在7V~10V之间。因此,这种改进后具有ESD保护电路的3.3V系统的输入端可以承受5V的输入电压。为了防止在3.3V器件的输出端可能存在电流倒灌问题,还需要在输出端加保护电路,当加到输出端电压高于Vcc(3.3V)时,保护电路的比较器会断开电流倒灌通路,这样在三态方式时就能与5V器件相连。

分析各种逻辑电平信号的电特性(见表1),会发现有以下五种接口情况:

第一,相同供电电压的TTL器件驱动CMOS器件时,TTL器件的输出高电平可能达不到CMOS器件的输入高电平的最小值。3.3VTTL器件的VOH是2.4V,3.3V CMOS器件的VIH是0.8VCC(3.3V×0.8=2.64V);5.0VTTL器件的VOH是2.4V,5.0VCMOS器件的VIH是0.7VCC(3.5V)。为了可靠地传输数据,可以将TTL器件的输出端上拉。有些CMOS工艺制造的器件兼容TTL电平,这样就可以与相同供电电压的TTL器件直接接口,不需要上拉。

第二,相同供电电压的CMOS器件驱动TTL器件,电平匹配,数据能可靠地传输。

来源:(http://blog.sina.com.cn/s/blog_497f1c7d0100e012.html) - 3.3V和5.0V电平信号的转换_aerocarrier_新浪博客

第三,不同供电电压的TTL器件驱动CMOS器件时,TTL器件的输出高电平也可能达不到CMOS器件的输入高电平的最小值。3.3VTTL器件的VOH是2.4V,5.0V CMOS器件的VIH是0.7VCC(3.5V),电平不匹配;5.0VTTL器件的VOH是2.4V,3.3V CMOS器件的VIH是0.8VCC(2.64V),可以将5.0VTTL器件的输出端上拉,达到电平匹配的目的。

第四,不同供电电压的CMOS器件驱动TTL器件时,在输入端具有5V容限的情况下,电平匹配,数据能可靠地传输。

第五,不同供电电压的TTL器件在输入端具有5V容限的情况下可以直接接口;不同供电电压的CMOS器件由于电平不匹配不能直接接口。

由以上分析可知,不同逻辑标准的电平信号一般是不能直接接口的。在只有少量信号需要电平转换的情况下,可以考虑上拉电阻或选择具有5V输入容限的器件,甚至可以考虑电阻分压降低输入电压的办法。对于大量信号需要电平转换的情况,为了可靠传输数据,可以采用双电压(一边是3.3V,另一边是5V)供电的双向驱动器来实现电平转换。如仙童半导体公司的74LVX4245、TI公司的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245

等芯片,可以较好地解决3.3V与5V电平的转换问题。

4 3.3V、5.0V电平信号与RS-232电平信号的转换

在TFT彩色液晶网络终端系统中,Intel PXA255微处理器有3个与16550标准兼容的UART端口,3.3VCMOS逻辑结构。终端外围设备一般都遵守RS-232C标准的串口,因此必须进行EIA-RS-232C与IntelPXA255电平和逻辑关系的转换。实现这种变换的方法很多,可用分离元件,也可用集成电路。目前较为广泛地使用集成电路转换器件,如MC1488、SN75150等芯片可完成TTL电平到串口电平的转换。MC1489、SN75154可实现串口电平到TTL电平的转换。MAX232/MAX232A、MAX3221/MAX3223等芯片可完成多路3V~5V电平与串口电平的双向转换。在TFT彩色液晶网络终端系统中,串口多达8路,从价格和电路的复杂性等方面考虑,选用Intelsil公司的HIN232。HIN232的供电电压是5.0V,它的接收模块的输出管脚、发送模块的输入管脚的逻辑电平与TTL/CMOS兼容。

5 3.3V电平信号与LVDS信号的转换

IntelPXA255微处理器的LCD控制模块提供16位显示数据,行、场同步信号,象素时钟,输出使能信号。在TFT显示模式下,红色5位,绿色6位,蓝色5位。这些信号都是3.3VCMOS电平。国家半导体公司推出的DS90C385发送器,专用于将LVTTL和LVCMOS信号转换为LVDS数据流。在选用转换芯片时,一定要注意转换速率是否满足系统需要。

在今后的数字逻辑系统的设计中,会经常遇到混合逻辑电平的接口问题。只要深入理解各种逻辑电平的电特性,同时注意一些具体问题,例如转换速率等,就能设计出正确的接口电路,保证数据可靠传输。来源:(http://blog.sina.com.cn/s/blog_497f1c7d0100e012.html) - 3.3V和5.0V电平信号的转换_aerocarrier_新浪博客

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