在新一代电子电路设计中, 随着低电压逻辑的引入, 系统内部常常出现输入-输出逻辑不协调的问题, 从而提高了系统设计的复杂性。例如, 当1.8V的数字电路与工作在3.3V的模拟电路进行通信时,需要首先解决两种电平的转换问题, 这时就需要电平转换电路。
几种电平转换方式的优劣势
1、使用晶体管转换电平
如下图,使用2个NPN三极管,将输入信号电平VL和转换为输出电平VH,使用2个三极管的目的是将输入和输出信号同相,如果可以接受反相,使用一个三极管也可以。
优势:
1) 价格:三极管比较常见并且容易采购,价格低廉。
2) 驱动能力强:驱动能力取决于三极管,可以做到数十mA。
劣势:
1.速度:两级三极管属于电流驱动型,加上电路和寄生电容,转换后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以内的信号转换。
2.器件多:同相转换需要2个三极管以及配套的电阻,只能单向转换
3.漏电流高:输出漏电流会过大。
2、使用电阻分压转换电平
如下图,主机接受信号时,R2和R3构成分压。
优势:
1) 成本:每路信号仅需要两个电阻,成本低;
2) 容易实现:电阻采购容易,占用面积小。
劣势:
1) 速度:分压法为了降低功耗,使用KΩ级别以上的电阻,加上电路和器件的分布和寄生电容,因此能够达到的通讯速率较低,一般只能应用于100KHz以内的通讯速率。
2) 驱动能力:由于使用了大阻值的电阻,因此通讯端的驱动电流能力变弱,不适合需要高驱动能力的场合。
3)方向:电阻分压只能降低电平,不能升高电平。
3、使用电阻限流转换电平
部分硬件工程师有时会通过使用电阻进行限流的方式,实现两个不同电平之间的转换。具体的现实原理就是利用芯片的输入电流不超过某个值,例如74HC系列的芯片的输入电流值不能超过20mA,则认为是安全的;如果是5V转3.3V,只要电阻大于(5-3.3V)/20mA=85Ω,则认为是安全的。因为芯片内部是可以等效一个负载电阻RL,与R1构成分压的关系。
优势:
1) 成本:只需要一个电阻即可。
劣势:
1) 难以实现,不仅需要十分熟悉芯片内部的构成,而且还要考虑限流后的电压范围。
2)只能从高电平转低电平。
4、使用二极管钳位转换电平
如下图是5V转3.3V,输入是高电平时,3.3Vout=3.3V+Vd≈4V,当5V电平输入为低电平时,3.3Vout=0V。
优势:
1) 漏电流小:二极管的漏电流非常小(uA级)
2) 容易实现:二极管、电阻采购容易,占用面积小。
劣势:
1) 电平误差大:主要是二极管的正向压降较大,容易超出芯片的工作电压范围。
2) 速度和驱动能力不理想:由于电阻限流,驱动速度和能力均不理想,只能应用在100K以内的频率。
AiP2206双向电平转换电路;
除上述方法外,还可以通过专用电路实现电平转换,例如无锡中微爱芯的AiP2206双向电平转换电路。它的优势明显:漏电流低、速率高、驱动能力强,并且支持双向转换。其具体介绍如下:
产品特点;
兼容标准模式、快速模式及快速模式Plus I2C总线和SMBus
小于1.5ns的最大传输延迟,适应标准模式和快速模式I2C总线器件和多个主控制器
允许电平转换如:
1.0V⇋1.8V、2.5V、3.3V、5V
1.2V⇋1.8V、2.5V、3.3V、5V
1.8V⇋3.3V、5V
2.5V⇋5V
3.3V⇋5V
无需控制电平转换方向
输入输出引脚间3.5欧姆的低导通电阻,提供更小的信号失真。
开漏I2C总线I/O端口(SCL1,SDA1,SCL2和SDA2)
I2C总线的I/O口具有5V耐压值,支持混合模式信号操作
EN为低电平时,SCL1、SDA1、SCL2和SDA2端口为高阻抗状态
自由锁定
功能框图;
引脚排列图;
典型应用图;
总结;
AiP2206可以高速、有效、便捷地解决系统间电平不匹配问题,因此可以广泛应用于各种控制信号复杂的系统中.
审核编辑:汤梓红
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