互连电平转换及相关转换技术的基本原理及应用场合
1、逻辑电平转换概述
电平转换在实际电路设计中常常会用到，不同种类逻辑电平之间的转换一般通过特定逻辑功能器件实现（如使用max232实现ttl转rs232等等），但随着器件集成度的增加，工艺的提升，现在的控制器使用的逻辑电平电压等级越来越低（好多控制器对外接口都直接输出1.8v或更低了），而同种逻辑电平、不同电压等级之间的转换就变得更为常见了。
ti的逻辑器件列表
2、电平转换分类
常见的双电源逻辑电平转换包括单向转换、带方向控制引脚的双向转换、自动感测双向转换（推挽型输出以及用于漏极开路(如i2c)的）等。
电平转换电路类型
二极管电平转换
oc/od电平转换
pass gate电平转换
3、电平转换器件选型
逻辑电平转换都会消耗功率。例如，从低到高的电平转换中，为了输出高逻辑电平，输入电压(vin)低于vcc，电源电流变化(δicc)始终较高，因此功耗也较高。为了解决高功耗的问题，可以采用双电源电压(vcca及vccb)逻辑电平转换器，在逻辑电源电压(vl)等于vin时，δicc就为0，从而降低功耗。
电平转换通常使用集成器件实现，但器件的选型需要从以下几个方面考虑：
信号特性（od或pp）； 传输速度； 最大负载电容； 传输方向（是否需要带方向控制）； 双方信号工作电压范围（有没有high side和low side的区别）； 当输入高电平电压高于器件vcc时，器件是否能承受。当输入高电平电压低于输出端vih时输出是否能识别。 使用单电源时，高电压端驱动低电压端时有没有5v tolerance问题，低电压端驱动高电压端时vih是否满足； 控制信号跟随的电源域； 单方断电的问题（partial power down），如果有则要选择有vcc isolation功能的器件。
4、单向电平转换
单向逻辑电平转换的原理就是在输出使能(output enable)有效时，提供a点至b点转换；而在输出使能无效时，a、b之间呈现高阻态，通常当作电阻无穷大来处理，相当于没有接通。常见的双电源单向逻辑电平转换器有如安森美半导体的nlsv1t34amx1tcg、nlsv2t244mutag、nlsv4t3234fct1g、nlsv8t244mutag、nlsv22t244mutag等。这些双电源单向逻辑电平转换器的应用包括通用输入输出(gpio)端口、串行外设接口(spi)端口和uart等每根线都是单向传输的总线。
5、带方向控制的双向电平转换
带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器的工作原理是：输出使能和方向控制信号均为低电平时，提供b点至a点转换；输出使能为低电平、方向控制信号为高电平时，提供a点至b点转换；而在输出使能为高电平时，a点至b点方向和b点至a点方向均处于高阻态，相当于没有接通。这类转换器的常见应用是以字节(byte)访问的存储器及i/o器件。
带oe和dir控制的电平转换电路，不同的器件会要求将控制信号接到不同的电源域（high side或low side）：
ti/nxp pca9306a en control signal follows vref2 (high side). ti txb/txs1002 en control signal follows vcca (low side). ti sn74avc2t245 dir control signal follows vcca. ti sn74avc2t245 oe and dir control signals follow vcca. on-semiconductor nlsx5102 en control signal follows vl. 6、自适应双向电平转换
自动感应双向电平转换包括两种类型：一种是基于buffer缓冲的结构，主要用于推挽型输出的电路；另一种是基于fet开关的结构，主要用于开漏输出的电路。
推挽型电平转换block diagram
开漏型电平转换block diagram
6.1、推挽型自动感应双向逻辑电平转换
推挽型输出的自动感测双向逻辑电平转换器的工作原理是：
使能(en)引脚为低电平时，转换器处于待机状态； en引脚为高电平、i/o电平不变时，转换器处于稳态； en引脚为高电平、i/o电平变化时，转换器检测到变化，并产生脉冲。 典型的自动感测方向双向逻辑电平转换器(推挽型输出)有安森美半导体的nlsx3012mutag、nlsx3013fct1g、nlsx3013bfct1g、nlsx4014mutag和nlsx3018mutag等，ti的txb010x系列。这类转换器的常见应用包括通用异步收发器(uart)、usb端口、4线spi端口和3线spi端口等双工的总线。
6.2、推挽型自动感应双向逻辑电平转换
用于漏极开路应用(如i2c)的自动感测双向逻辑电平转换器同样包含3个状态：
en引脚为高电平、nmos导通时，处于工作状态，输入端i/o电平下拉至地，即输入低电平； en引脚为高电平、nmos处于高阻态时，处于工作状态，输出端i/o电平上拉至vcc，即输入高电平； en引脚为低电平时，转换器处于待机状态。 典型的用于漏极开路应用(如i2c)的自动感测双向逻辑电平转换器有如安森美半导体的nlsx4373mutag、nlsx4348fct1g和nslx4378bfct1g等，ti的txs010x系列（既可用于推挽，也可用于开漏）等。这类转换器的常见应用包括i2c总线、用户识别模块(sim)卡、单线(1-wire)总线、显示模块、安全数字输入输出(sdio)卡等。
开漏电平转换电路中多了一个one shot加速电路，one shot电路的主要功能是加速上升/下降沿，当输入端（假设为a端）上升到逻辑门限时，输出端（假设为b端）的加速电路打开pass-fet开关，持续一段时间使输出电压快速上升到输出高电平。反之当b端为输入时，通过a端的加速电路和pass-fet开关实现加速，从而实现双向功能。
one shot是一个边沿触发的电路，在上升或下降沿瞬间打开mos管（开启时间约3.5~4.5ns），使得信号可以快速上升或下降，提高线路的反应速度。
最后根据市面上常用的一些双向电平转换芯片，大致进行一个罗列，主要从转换速率、cl等关键参数进行对比如下表。
channels
max data rate
parts
max cl
comments
1
2mbps
max3370/71
200pf
2
16mbps
max13046e/47e
50pf
2
20mbps
nlsx3373, nlsx4373
n/a
2,4
6mbps
max3394e, max3395e
400pf
specialized rise time accelerators allow for high capacitive loads.
4
16mbps
max3377e
50pf
4
20mbps
nlsx3378, nlsx4378
n/a
4,6,8
100mbps
max13042e-45e, max13030-35e, max13055e
40pf
6
20mbps
max13000e-05e
100pf
ultra low-voltage supplies (down to 0.9v)
8
230kbps
max3000e
100pf
back to back buffer； not for open drain
8
4mbps
max3001e
100pf
8
20mbps
max3002
50pf
1,2,4,6,8
20-100mbps
txb010x
70pf
2,4,8
100mbps
nlsx3012, nlsx3014, nlsx3018
n/a
1,2,4,8
20-24mbps
txs010xxe
n/a
8
100mbps
max3013
40pf
back to back buffer； not
for open drain
16
20mbps
max13101e-03e
50pf
最大数据速率依供电电压，负载电容和其他一些条件的变化而不同。
最大负载电容很少直接标注出，但却是选择逻辑电平转换器的关键。对于那些最大负载电容没有直接标注出的器件，数据手册标识的数值是用来生成典型工作曲线的最大电容值。“n/a”表示最大电容值在数据手册没有标识。所有数据手册中的测试的条件都是cl=15pf，如下几个图就是txs系列芯片的测试条件。
本篇主要介绍逻辑互连中的电平转换问题，从单向电平转换、带方向控制的双向电平转换、自适应的双向电平转换几个方面进行了介绍，并介绍了相关转换技术的基本原理及应用场合。
逻辑电平系列文章就此告一段落，大致介绍了逻辑电平相关的基本概念，各种常见的单端和差分逻辑电平，其中重点介绍了cmos的闩锁效应及防护措施，之后介绍了逻辑电平的互连，包括单端和差分，以及一些具有特殊功能的逻辑互连，最后介绍了逻辑互连中的电流倒灌和电平转换问题。
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常见的双电源逻辑电平转换包括单向转换、带方向控制引脚的双向转换、自动感测双向转换（推挽型输出以及用于漏极开路(如i2c)的）等。
电平转换电路类型
二极管电平转换
oc/od电平转换
pass gate电平转换
3、电平转换器件选型
逻辑电平转换都会消耗功率。例如，从低到高的电平转换中，为了输出高逻辑电平，输入电压(vin)低于vcc，电源电流变化(δicc)始终较高，因此功耗也较高。为了解决高功耗的问题，可以采用双电源电压(vcca及vccb)逻辑电平转换器，在逻辑电源电压(vl)等于vin时，δicc就为0，从而降低功耗。
电平转换通常使用集成器件实现，但器件的选型需要从以下几个方面考虑：
信号特性（od或pp）； 传输速度； 最大负载电容； 传输方向（是否需要带方向控制）； 双方信号工作电压范围（有没有high side和low side的区别）； 当输入高电平电压高于器件vcc时，器件是否能承受。当输入高电平电压低于输出端vih时输出是否能识别。 使用单电源时，高电压端驱动低电压端时有没有5v tolerance问题，低电压端驱动高电压端时vih是否满足； 控制信号跟随的电源域； 单方断电的问题（partial power down），如果有则要选择有vcc isolation功能的器件。
4、单向电平转换
单向逻辑电平转换的原理就是在输出使能(output enable)有效时，提供a点至b点转换；而在输出使能无效时，a、b之间呈现高阻态，通常当作电阻无穷大来处理，相当于没有接通。常见的双电源单向逻辑电平转换器有如安森美半导体的nlsv1t34amx1tcg、nlsv2t244mutag、nlsv4t3234fct1g、nlsv8t244mutag、nlsv22t244mutag等。这些双电源单向逻辑电平转换器的应用包括通用输入输出(gpio)端口、串行外设接口(spi)端口和uart等每根线都是单向传输的总线。
5、带方向控制的双向电平转换
带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器的工作原理是：输出使能和方向控制信号均为低电平时，提供b点至a点转换；输出使能为低电平、方向控制信号为高电平时，提供a点至b点转换；而在输出使能为高电平时，a点至b点方向和b点至a点方向均处于高阻态，相当于没有接通。这类转换器的常见应用是以字节(byte)访问的存储器及i/o器件。
带oe和dir控制的电平转换电路，不同的器件会要求将控制信号接到不同的电源域（high side或low side）：
ti/nxp pca9306a en control signal follows vref2 (high side). ti txb/txs1002 en control signal follows vcca (low side). ti sn74avc2t245 dir control signal follows vcca. ti sn74avc2t245 oe and dir control signals follow vcca. on-semiconductor nlsx5102 en control signal follows vl. 6、自适应双向电平转换
自动感应双向电平转换包括两种类型：一种是基于buffer缓冲的结构，主要用于推挽型输出的电路；另一种是基于fet开关的结构，主要用于开漏输出的电路。
推挽型电平转换block diagram
开漏型电平转换block diagram
6.1、推挽型自动感应双向逻辑电平转换
推挽型输出的自动感测双向逻辑电平转换器的工作原理是：
使能(en)引脚为低电平时，转换器处于待机状态； en引脚为高电平、i/o电平不变时，转换器处于稳态； en引脚为高电平、i/o电平变化时，转换器检测到变化，并产生脉冲。 典型的自动感测方向双向逻辑电平转换器(推挽型输出)有安森美半导体的nlsx3012mutag、nlsx3013fct1g、nlsx3013bfct1g、nlsx4014mutag和nlsx3018mutag等，ti的txb010x系列。这类转换器的常见应用包括通用异步收发器(uart)、usb端口、4线spi端口和3线spi端口等双工的总线。
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en引脚为高电平、nmos导通时，处于工作状态，输入端i/o电平下拉至地，即输入低电平； en引脚为高电平、nmos处于高阻态时，处于工作状态，输出端i/o电平上拉至vcc，即输入高电平； en引脚为低电平时，转换器处于待机状态。 典型的用于漏极开路应用(如i2c)的自动感测双向逻辑电平转换器有如安森美半导体的nlsx4373mutag、nlsx4348fct1g和nslx4378bfct1g等，ti的txs010x系列（既可用于推挽，也可用于开漏）等。这类转换器的常见应用包括i2c总线、用户识别模块(sim)卡、单线(1-wire)总线、显示模块、安全数字输入输出(sdio)卡等。
开漏电平转换电路中多了一个one shot加速电路，one shot电路的主要功能是加速上升/下降沿，当输入端（假设为a端）上升到逻辑门限时，输出端（假设为b端）的加速电路打开pass-fet开关，持续一段时间使输出电压快速上升到输出高电平。反之当b端为输入时，通过a端的加速电路和pass-fet开关实现加速，从而实现双向功能。
one shot是一个边沿触发的电路，在上升或下降沿瞬间打开mos管（开启时间约3.5~4.5ns），使得信号可以快速上升或下降，提高线路的反应速度。
最后根据市面上常用的一些双向电平转换芯片，大致进行一个罗列，主要从转换速率、cl等关键参数进行对比如下表。
channels
max data rate
parts
max cl
comments
1
2mbps
max3370/71
200pf
2
16mbps
max13046e/47e
50pf
2
20mbps
nlsx3373, nlsx4373
n/a
2,4
6mbps
max3394e, max3395e
400pf
specialized rise time accelerators allow for high capacitive loads.
4
16mbps
max3377e
50pf
4
20mbps
nlsx3378, nlsx4378
n/a
4,6,8
100mbps
max13042e-45e, max13030-35e, max13055e
40pf
6
20mbps
max13000e-05e
100pf
ultra low-voltage supplies (down to 0.9v)
8
230kbps
max3000e
100pf
back to back buffer； not for open drain
8
4mbps
max3001e
100pf
8
20mbps
max3002
50pf
1,2,4,6,8
20-100mbps
txb010x
70pf
2,4,8
100mbps
nlsx3012, nlsx3014, nlsx3018
n/a
1,2,4,8
20-24mbps
txs010xxe
n/a
8
100mbps
max3013
40pf
back to back buffer； not
for open drain
16
20mbps
max13101e-03e
50pf
最大数据速率依供电电压，负载电容和其他一些条件的变化而不同。
最大负载电容很少直接标注出，但却是选择逻辑电平转换器的关键。对于那些最大负载电容没有直接标注出的器件，数据手册标识的数值是用来生成典型工作曲线的最大电容值。“n/a”表示最大电容值在数据手册没有标识。所有数据手册中的测试的条件都是cl=15pf，如下几个图就是txs系列芯片的测试条件。
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逻辑电平系列文章就此告一段落，大致介绍了逻辑电平相关的基本概念，各种常见的单端和差分逻辑电平，其中重点介绍了cmos的闩锁效应及防护措施，之后介绍了逻辑电平的互连，包括单端和差分，以及一些具有特殊功能的逻辑互连，最后介绍了逻辑互连中的电流倒灌和电平转换问题。
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nubia Z11 mini：5寸屏+骁龙芯+64GB，仅售1278元
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日本斯倍利亚推出新型无铅焊锡丝SN100C
互连电平转换及相关转换技术的基本原理及应用场合
LED发光二极管使用注意事项
磁吸蓝牙耳机中MH254ESQ应用说明
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pdu是什么 PDU插座使用注意事项
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