深度解析CMOS电平转换电路方案

[导读]COMS集成电路是互补对称金属氧化物半导体(Compiementary symmetry metal oxide semicoductor)集成电路的英文缩写，电路的许多基本逻辑单元都是用增强型PMOS晶体管和增强型NMOS管按照互补对称形式连接的，静态功耗很小。

COMS集成电路是互补对称金属氧化物半导体(Compiementary symmetry metal oxide semicoductor)集成电路的英文缩写，电路的许多基本逻辑单元都是用增强型PMOS晶体管和增强型NMOS管按照互补对称形式连接的，静态功耗很小。

COMS电路的供电电压VDD范围比较广在+5~+15V均能正常工作，电压波动允许±10，当输出电压高于VDD-0.5V时为逻辑 1，输出电压低于VSS+0.5V(VSS为数字地)为逻辑 0。CMOS电路输出高电平约为 0.9Vcc，而输出低电平约为 0.1Vcc.当输入电压高于VDD-1.5V时为逻辑 1，输入电压低于VSS+1.5V(VSS为数字地)为逻辑 0。

TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

标准TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小2.4V，典型值3.4V，输入低电平最大 0.8V，输出低电平最大 0.4V，典型值 0.2V(输入 H》2V，输入 L《0.8V;输出H 》2.4V(3.4V)，输出L《0.4V(0.2V)。

CMOS电平是数字信号还是模拟信号?

CMOS电平是数字信号，COMS电路的供电电压VDD范围比较广在+5--+15V均能正常工作，电压波动允许±10，当输出电压高于VDD-0.5V时为逻辑1，输出电压低于VSS+0.5V(VSS为数字地)为逻辑0， 一般数字信号才是0和1 。

cmos电平转换电路

1、 TTL电路和CMOS电路的逻辑电平

VOH： 逻辑电平 1 的输出电压

VOL： 逻辑电平 0 的输出电压

VIH ： 逻辑电平 1 的输入电压

VIH ： 逻辑电平 0 的输入电压

TTL电路临界值：

VOHmin = 2.4V VOLmax = 0.4V VIHmin = 2.0V VILmax = 0.8V

CMOS电路临界值(电源电压为+5V)

VOHmin = 4.99V VOLmax = 0.01V VIHmin = 3.5V VILmax = 1.5V

2、TTL和CMOS的逻辑电平转换

CMOS电平能驱动TTL电平

TTL电平不能驱动CMOS电平，需加上拉电阻。

3、用逻辑芯片特点

74LS系列： TTL 输入： TTL; 输出：TTL

74HC系列：CMOS输入： CMOS; 输出：CMOS

74HCT系列： CMOS 输入：TTL; 输出： CMOS

CD4000系列： CMOS 输入： CMOS输出： CMOS。

常用的几种电平转换方案

(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。