總線收發器與電平轉換

一,74HC245與74HCT245

245是比較常見的總線收發器,具有轉換速度快、驅動能力強且價格便宜等優點,廣泛應用於各個設計中。

首先,有幾個概念需要搞清楚:

1)       輸入高電平(Vih):保證邏輯門的輸入爲高電平時所允許的最小輸入高電平,當輸入電平高於Vih時,則認爲輸入電平爲高電平。

2)       輸入低電平(Vil):保證邏輯門的輸入爲低電平時所允許的最大輸入低電平,當輸入電平低於Vil時,則認爲輸入電平爲低電平。

3)       輸出高電平(Voh):保證邏輯門的輸出爲高電平時的輸出電平的最小值,邏輯門的輸出爲高電平時的電平值都必須大於此Voh。

4)       輸出低電平(Vol):保證邏輯門的輸出爲低電平時的輸出電平的最大值,邏輯門的輸出爲低電平時的電平值都必須小於此Vol。

5)       閥值電平(Vt):數字電路芯片都存在一個閾值電平,就是電路剛剛勉強能翻轉動作時的電平。它是一個界於Vil、Vih之間的電壓值,對於CMOS電路的閾值電平,基本上是二分之一的電源電壓值,但要保證穩定的輸出,則必須要求輸入高電平>Vih>Vt,輸入低電平<Vil<Vt。

6)       Ioh:邏輯門輸出爲高電平時的負載電流(爲拉電流)。

7)       Iol:邏輯門輸出爲低電平時的負載電流(爲灌電流)。

8)       Iih:邏輯門輸入爲高電平時的電流(爲灌電流)。

9)       Iil:邏輯門輸入爲低電平時的電流(爲拉電流)。

其次,是搞清楚進行邏輯和電平轉換的理論基礎:

1)       驅動器的VOH必須高於接收器的VIH。

2)       驅動器的VOL必須低於接收器的VIL。

3)       驅動器的輸出電壓不得超過接收器的I/O電壓容差。

在平時應用中,經常碰到FPGA或者MCU的IO輸出需要使用245來做緩衝,也是利用245的強驅動來彌補FPGA或者MCU驅動力的不足。FPGA或MCU比較常用的輸出是2.5VCMOS 3.3CMOS、3.3VTTL等。對於245而言,如果要求輸出是3.3V,則比較容易處理,而如果要求輸出是5V,需要注意。

對於HC245,典型的CMOS器件,供電電壓2~6V,VIH和VIL隨着供電電壓的不同而不同,一般分別爲0.7VCC、0.3VCC左右。典型的器件參數如下圖:


需要245輸出高電平爲5V,則供電電壓VCC應該是5V,此時VIH的最小值和VIL的最大值分別約爲3.5V和1.5V。

下圖是Cyclone III的IO口電平表:


從表中可以讀出,3.3V TTL、3.3VCMOS、3VTTL、3VCMOS、2.5VTTL、2.5VCMOS的VOH的最小值分別爲2.4、3.1、2.4、2.8、2、2。這些值都小於HC245的VIL值3.5V。如果此時選用HC245作爲收發器,顯然不合適。在很多時候我們發現的確有人這樣用了,而且數據收發似乎也正常,這是爲什麼呢?原來這裏還有一個電平叫做Vt,一般情況下,輸入的電平在大於Vt後可以被識別爲高電平,而低於Vt的可以被識別爲低電平,但這個是電路剛剛勉強能翻轉動作時的電平,在環境發生一些變化(如低溫、電磁干擾)時很可能就會出現錯誤。5VCMOS的Vt約爲2.5V,對於大多數3.3V、3V、甚至2.5V的器件,在驅動電流不是很大的情況下,輸出一般都很接近VCC,所以電平就可以被正確識別。這種設計對於系統的穩定性是非常不利的,應該儘量避免。

       HC245的輸入可以兼容TTL電平,其供電電壓爲4.5V~5.5V,VIH和VIL符合5VTTL的標準,分爲爲2V和0.8V。典型器件的參數如下表:


裏我們我們就可以發現,選用HCT245作爲Cyclone III3.3V TTL3.3VCMOS3VTTL3VCMOS2.5VTTL2.5VCMOS輸出的緩衝是可以的。

二,雙供電收發器

   對於245這類的收發器,輸入、輸出是單獨供電,在需要雙向的傳輸中就不合適。還是前面的FPAG例子,FPGA的IO輸入和輸出都是3.3V,而且FPGA的IO最大能承受的輸入電壓是3.6V,如果此時用HC245/HCT245作爲緩衝對FPGA輸入信號很可能就會損壞FPGA的IO。這種場合下具有雙向供電的收發器或者電平轉換器就是較好的選擇。

2.1具有方向控制類

   74LVC8T245是TI近幾年推出的一款有8通道的雙向雙供電收發器。基本的一些參數如下:


每個管腳灌入、拉出電流可以高達24mA,一般應用已經足夠。可以通過控制方向的DIR管腳來確定是輸入還是輸出。這些器件需要注意的是控制管腳(DIR、OE)的參考電平。比如上面的74LVC8T245的控制腳參考電平是VCCA,那麼就需要搞清楚控制信號的電平是否滿座A端的電平要氣。

   這種具有方向控制的器件也不是萬能的,有些場合就不合適使用。比如有以下IO有時候需要作爲輸入,有時候又作爲輸出,一直在變化,此時就需要選用“無方向控制”的雙供電器件。

2.2無方向控制類

   無方向控制類的器件一般不具有驅動能力,僅作爲電平轉換使用,每個通道可以作爲單獨的輸入或輸出,不受其他通道影響。一般有2種結構,自動感應方向結構和FET結構。

   自動感應方向結構的器件,典型的如TI的TXB0108。其基本結構和典型應用如下圖:




AB兩端首先偵測確定哪端是輸入信號,接着偵測上升沿和下降沿,如果是上升沿則開啓T1和T3,下降沿就開啓T2和T4。

   這種器件在應用時需要留意以下幾點:

1)       驅動TXB0108的器件的IO的最小驅動電流要達到±2mA。

2)       VCCA的電平始終要低於VCCB,當然,如果VCCA高於VCCB,不會損壞器件,只是邏輯上可能會出現錯誤,也無需要考慮上電的順序。

3)       如果輸入或輸出的IO需要外接上拉或者下拉電阻,則阻值至少要大於50Kohm,這樣纔不會與啓動器腳弱的輸出相沖突。

4)       這種器件不可以與IIC之類的OD門電路直接相連。

另外一種FET結構的器件,典型的有TXS0108E,其應用電路與TXB0108一樣,其內部結構如下圖:


其內部集成上拉、下拉電阻,可以應用於OD門電路中,但收發的速度要慢許多。以下是TXB0108和TXS0108E的兩個速度對比:

(1)TXB0108B



(2)TXS0108E


這類器件在使用時也需要注意下面2點:

1, VCCA的電平始終要低於VCCB,當然,如果VCCA高於VCCB,不會損壞器件,只是邏輯上可能會出現錯誤,也無需要考慮上電的順序。

2,內部的2個電阻Rpub和Rpua,在作爲下拉電阻時約爲40Kohm,而作爲上拉電阻時約爲4Kohm,如果是OD門,那麼要估算驅動電流是否滿足系統的要求。




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