吴星华

摘要：本文要着重研究在串行数据系统((SPI， ，USB，1—Wire)中不同的逻辑电平范围之间如何解决转换的新技术，同时也对低压DSP与5V器件的电平转换技术作分析，从中也应对逻辑电平的基本原理作出说明。

    1、现代电子系统带来的新问题

    众所周知，常用数字电子系统中TTL和5V的COMS早己成为逻辑电路的主导标准。如今电子设计已发生了相当大的改变，现代电子系统技术的复杂与发展导致了低电压逻辑电平的产生，同时又出现了在一个系统内部输人输出逻辑电平互不兼容的新问题，例如，当工作于1.8V的数字电路和工作于3.3V的模拟电路在互相通信时就会有这个问题。

    为此，针对现代电子系统技术出现的逻辑电平转换新问题，本文要着重研究在串行数据系统((SPI， ，USB，1—Wire)中不同的逻辑电平范围之间如何解决转换的新技术，同时对低压DSP与5V器件的电平转换技术作分析，从中也应对逻辑电平的基本原理作出说明。

    2、数字集成电路出现的新情况

    越来越多的数字集成电路出现的新情况可归纳约有以下几种：采用了与以往不兼容的电源电压；更低的VDD；或者微处理器内核电压(VCORE)和输入输出接口电压(VI／O)不同的双电源供电等等。

    从而就提出了对于逻辑电平应转换的要求。若低电压混合信号集成电路如未能与其配合的数字器件的发展保持同步，也就需要使用逻辑电平转换。

    3、逻辑电平的转换方法

    3.1应该说，逻辑电平的转换方法有多种，它们的应用将根据不同情况，即要转换电平的范围和需要转换的信号线数(例如，一个4线的串行外设接口SPI与32位数据总线间的转换)以及数字信号速率的不同而作出不同选择。

    目前许多逻辑集成电路能够将高电平转换成低电平(如将5V转换到3.3V逻辑)，但很少能将低电平转换成高电平(如将3.3V转换到5V)。而传统的逻辑电平转换方法可通过一个分立的晶体管或甚至是一个电阻与二极管的组合实现，但这些方法固有的寄生电容会降低数据传输速率。

    尽管已有字节宽度的和字宽度的电平转换器件，但它们对本文讨论的信号速率<20Mbps的串行总线(SPI， ，USB等)并不理想，而对于小型串行总线和外设接口来讲，那些封装尺寸大、需要使用很多引脚和I/O方向引脚的转换器也并不理想。

    3.2 串行外设接口(SPI) 单向电平转换-简易拓扑

    串行外设接口(SPI)通常用于DSP控制器和外部设备或其它控制器之间的通信。它由单向控制线组成，即数据入、数据出、时钟和片选。需要指出的是，SPI的物理描述之一为：

    4个I/O管脚，即SPIMISO(SPI主输入，从输出)、SPIMOSI(SPI从输入主输出)、SPICLK(SPI时钟)、SPISTE(SPI控制)。而数据入和数据出也被称为主入从出(MISO)和主出从入(MOSl)。串行外设接口(SPI)能够使用超过20Mbp的时钟信号并使用CMOS推挽逻辑。由于SPI是单向的，没有必要在同一根信号线上实现双向转换。这使电平转换变得简单一些，因为可以采用电阻与二极管(见图1)或分立/数字晶体管(见图2)等简单方案。

    有3个速度范围：≤100kbps的标准模式，≤400kbps的快速模式，≤3.4Mbps的高速模式。双向总线的电平转换更加困难，因为必须在同一根数据线上进行双向转换。若用基于电阻/二极管或集电极／漏极开路的单级晶体管转换器的简易拓扑就无法满足要求，其因是由于它固有的单向性，不能工作于双向总线。

    3.4输入过压容差器件的应用

    为什么在要高到低逻辑电平转换时要采用输入过压容差器件?

    所谓过压输入的器件是指具有输入过压保护的逻辑器件，它能够承受(不被损坏)高于其电源电压的输入电压。输入过压容差器件的应用也是为了将逻辑电平由高向低转换，这种具有输入保护的器件简化了从高Vcc到低Vcc逻辑的转换任务，同时又增加了信噪比裕度。

    容许过压输入，例如容许1.8伏供电的逻辑器件接受1.8V或更高的逻辑电平输入。LVC(低压电容器)逻辑系列的器件，大部分具有输入过压保护功能的，在需要由高向低转换的应用中非常合适。但是在相反的情况，即由低到高的转换并不如此简单。这是因由低电压逻辑产生高电压逻辑的域值电平(VIH)就很难实现。

    当设计的电路由于连接器和高扇出及杂散电容导致高负载电容时，这对于所有逻辑系列来讲，若降低电源电压就会降低驱动能力，这是值