各种常用信号电平 (pic)

各种常用信号电平 (pic)
2011年02月16日
　　各种常用电平 http://gu277266206.blog.163.com/blog/static/12155512120091064553517/
　　DDR内存 采用的是支持2.5V电压的SSTL2标准
　　　　而对于比较老一些的SDRAM内存来说 它支持的则是3.3 V的LVTTL标准.
　　　　现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等，还有一些速度比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项。
　　　　TTL：Transistor-Transistor Logic 三极管结构。
　　　　Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL=2V；VIL=2.4V；VOL=2V；VIL=2.0V；VOL=1.7V；VIL不能驱动CMOS输入。
　　　　CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor PMOS+NMOS。
　　　　Vcc：5V；VOH>=4.45V；VOL=3.5V；VIL=3.2V；VOL=2.0V；VIL=2V；VOL=1.7V；VIL不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构，必须有电阻拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL：直流匹配时用130欧上拉，同时用82欧下拉；交流匹配时用82欧上拉，同时用130欧下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。)
　　　　前面的电平标准摆幅都比较大，为降低电磁辐射，同时提高开关速度又推出LVDS电平标准。
　　　　LVDS：Low Voltage Differential Signaling
　　　　差分对输入输出，内部有一个恒流源3.5-4mA，在差分线上改变方向来表示0和1。通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。
　　　　LVDS使用注意：可以达到600M以上，PCB要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过500mil，最好控制在300mil以内。
　　　　下面的电平用的可能不是很多，篇幅关系，只简单做一下介绍。如果感兴趣的话可以联系我。
　　　　CML：是内部做好匹配的一种电路，不需再进行匹配。三极管结构，也是差分线，速度能达到3G以上。只能点对点传输。
　　　　GTL：类似CMOS的一种结构，输入为比较器结构，比较器一端接参考电平，另一端接输入信号。1.2V电源供电。
　　　　Vcc=1.2V；VOH>=1.1V；VOL=0.85V；VIL=1.4V；VOL=1.2V；VIL2.4V,输出低电平=2.0V，输入低电平cmos 3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。哈哈
　　4，OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。
　　5，TTL和COMS电路比较：
　　1）TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。
　　2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。
　　3）COMS电路的锁定效应：
　　COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。
　　防御措施： 1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。
　　2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。
　　3）在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。
　　4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COMS电路的电源。
　　6，COMS电路的使用注意事项
　　1）COMS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。
　　2）输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。
　　3）当接长信号传输线时，在COMS电路端接匹配电阻。
　　4）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。
　　5）COMS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏COMS。
　　7，TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：
　　1）悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。
　　2）在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。
　　8，TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的 0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出；OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。
　　9，什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？
　　TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA
　　1.常用的电平转换方案
　　(1) 晶体管+上拉电阻法
　　就是一个双极型三极管或 MOSFET，C/D极接一个上拉电阻到正电源，输入电平很灵活，输出电平大致就是正电源电平。
　　(2) OC/OD 器件+上拉电阻法
　　跟 1) 类似。适用于器件输出刚好为 OC/OD 的场合。
　　(3) 74xHCT系列芯片升压 (3.3V→5V)
　　凡是输入与 5V TTL 电平兼容的 5V CMOS 器件都可以用作 3.3V→5V 电平转换。
　　――这是由于 3.3V CMOS 的电平刚好和5V TTL电平兼容（巧合），而 CMOS 的输出电平总是接近电源电平的。
　　廉价的选择如 74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/...) 系列 (那个字母 T 就表示 TTL 兼容)。
　　(4) 超限输入降压法 (5V→3.3V, 3.3V→1.8V, ...)
　　凡是允许输入电平超过电源的逻辑器件，都可以用作降低电平。
　　这里的“超限”是指超过电源，许多较古老的器件都不允许输入电压超过电源，但越来越多的新器件取消了这个限制 (改变了输入级保护电路)。
　　例如，74AHC/VHC 系列芯片，其 datasheets 明确注明“输入电压范围为0~5.5V”，如果采用 3.3V 供电，就可以实现 5V→3.3V 电平转换。    
　　(5) 专用电平转换芯片
　　最著名的就是 164245，不仅可以用作升压/降压，而且允许两边电源不同步。这是最通用的电平转换方案，但是也是很昂贵的 (俺前不久买还是￥45/片，虽是零售，也贵的吓人)，因此若非必要，最好用前两个方案。
　　(6) 电阻分压法
　　最简单的降低电平的方法。5V电平，经1.6k+3.3k电阻分压，就是3.3V。
　　(7) 限流电阻法
　　如果嫌上面的两个电阻太多，有时还可以只串联一个限流电阻。某些芯片虽然原则上不允许输入电平超过电源，但只要串联一个限流电阻，保证输入保护电流不超过极限(如 74HC 系列为 20mA)，仍然是安全的。
　　(8) 无为而无不为法
　　只要掌握了电平兼容的规律。某些场合，根本就不需要特别的转换。例如，电路中用到了某种 5V 逻辑器件，其输入是 3.3V 电平，只要在选择器件时选择输入为 TTL 兼容的，就不需要任何转换，这相当于隐含适用了方法3)。
　　(9) 比较器法
　　算是凑数，有人提出用这个而已，还有什么运放法就太恶搞了。
　　2. 电平转换的“五要素”
　　(1) 电平兼容
　　解决电平转换问题，最根本的就是要解决逻辑器件接口的电平兼容问题。而电平兼容原则就两条：
　　VOH > VIH
　　VOL  VN+
　　|VOL-VIL| > VN-
　　其中，VN+和VN-表示正负噪声容限。
　　只要掌握这个原则，熟悉各类器件的输入输出特性，可以很自然地找到合理方案，如前面的方案(3)(4)都是正确利用器件输入特性的例子。
　　(2) 电源次序
　　多电源系统必须注意的问题。某些器件不允许输入电平超过电源，如果没有电源时就加上输入，很可能损坏芯片。这种场合性能最好的办法可能就是方案(5)――164245。如果速度允许，方案(1)(7)也可以考虑。
　　(3) 速度/频率
　　某些转换方式影响工作速度，所以必须注意。像方案(1)(2)(6)(7)，由于电阻的存在，通过电阻给负载电容充电，必然会影响信号跳沿速度。为了提高速度，就必须减小电阻，这又会造成功耗上升。这种场合方案(3)(4)是比较理想的。
　　(4) 输出驱动能力
　　如果需要一定的电流驱动能力，方案(1)(2)(6)(7)就都成问题了。这一条跟上一条其实是一致的，因为速度问题的关键就是对负载电容的充电能力。
　　(5) 路数
　　某些方案元器件较多，或者布线不方便，路数多了就成问题了。例如总线地址和数据的转换，显然应该用方案(3)(4)，采用总线缓冲器芯片(245,541,16245...)，或者用方案(5)。
　　如果只有一两个信号要转换，弄个16245固然罗嗦，就是74AHC04之类的SO-14的芯片，也嫌大了，这是可以考虑 TI 或 Onsemi 的单/双门逻辑系列，如 74AHC1G04, 74AHCT1G04...可以节省板面积、优化布线。