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混合逻辑电平的接口技术
摘要：介绍了3.3V和5.0V逻辑电平、RS-232C逻辑电平、LVDS信号的电特性，讨论了它们相互间的接口技术。关键词：接口 逻辑电平 电源变换
在功耗低、体积小的便携式设备（蜂窝电话、ＰＤＡ、笔记本电脑、数字相机等）的应用需求驱动下，越来越多的半导体器件采用低电压设计技术，很多半导体器件制造厂家纷纷推出３．３Ｖ和２．５Ｖ等一系列超低功耗集成电路。这样使很多低电压逻辑标准得以广泛应用。在新一代的银行终端、教育终端等产品的设计过程中，为了降低成本、保持与终端外设的兼容性，还需要在同一系统中采用许多不同逻辑标准的器件，因此在同一系统中不可避免地存在不同供电电压的模块。如何解决不同的逻辑电平信号间的接口问题，就成了硬件工程师面临的关键技术。本文结合ＴＦＴ彩色液晶网络终端的设计，详细介绍了几种逻辑电平信号的接口特性，并讨论了它们之间的接口技术。
１ ＤＣ／ＤＣ电源变换
传统的线性稳压器，如ＬＭ１１７系列都要求输入电压比输出电压高３Ｖ以上，否则不能正常工作，同时传统的线性稳压器转换效率低，发热量大，所以ＬＭ１１７系列已经不能满足低功耗小体积的应用系统的电源设计要求。电池供电的便携式设备，对于电源转换效率和散热要求更高，所以必须寻求其他的解决方案。
ＴＦＴ彩色液晶网络终端主板涉及大量的５．０Ｖ和３．３Ｖ逻辑信号，必须有５．０Ｖ和３．３Ｖ两个供电模块。为了与其它系列终端的外置电源兼容，这里采用国家半导体公司的ＬＭ２５７６从１２Ｖ变换到５Ｖ，再采用ＭＩＣＲＥＬ公司的ＭＩＣ５２０７(或Ｌｉｎｅａｒ公司的ＬＴ１０８６)从５Ｖ变换到３．３Ｖ。
ＬＭ２５７６是基于开关电源技术的低电压输出单片集成电路，内置５２ｋＨｚ的振荡电路，仅仅需要４个外围器件，电源转换效率高达７７％，输出电流最大可达３Ａ，发热量小,电磁辐射小，可靠性高。
面对低电压电源的需求，许多电源芯片公司推出了低压差线性稳压器ＬＤＯ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐｏｕｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）。这种电源芯片的压差可以低至０．２Ｖ～１．３Ｖ，可以实现５Ｖ转３．３Ｖ／２．５Ｖ、３．３Ｖ转２．５Ｖ／１．８Ｖ等要求。生产ＬＤＯ的公司很多，如ＡＬＰＨＡ、 ＬＴ(Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)、ＮＩ(Ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)、ＴＩ等。低压差线性稳压器ＭＩＣ５２０７特别适合手持的电池供电设备，它有一个与ＣＯＭＳ、ＴＴＬ电平兼容的使能控制引脚，便于关断电源降低功耗，其外围电路也特别简单。
２ 各种逻辑电平信号的电特性
在ＴＦＴ彩色液晶网络终端系统中，中央处理器Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５的Ｉ／Ｏ端口是３．３Ｖ的ＣＭＯＳ结构；ＵＳＢ Ｈｏｓｔ控制器ＳＬ８１１ＨＳ的Ｉ／Ｏ端口是３．３Ｖ的ＣＭＯＳ结构?熏兼容ＴＴＬ电平；超级Ｉ／Ｏ控制器Ｗ８３９７７ＡＴＦ具有５．０Ｖ ＣＭＯＳ和５．０Ｖ ＴＴＬ两种 Ｉ／Ｏ端口。它们的电平特性如表１所示。遵守同一逻辑电平标准的不同器件，端口的电特性可能略有不同，即使是同一器件，在不同环境下表现出的电特性也是不同的，所以在设计电路时，一定要具体情况具体分析。
表１中，ＶＯＨ表示输出高电平的最小值；ＶＯＬ表示输出低电平的最大值。表１ＶＩＨ表示输入高电平的最小值；ＶＩＬ表示输入低电平的最大值。表１列出了器件的常见电特性，有些集成电路略有差别。
表1 PXA255、SL811HS与W83977ATF I/O端口的电平特性
银行终端需要外接的串口设备多达８个以上，所以解决ＲＳ－２３２Ｃ串口与３．３Ｖ和５．０Ｖ逻辑电平接口也是ＴＦＴ彩色液晶网络终端系统的一项重要技术（实达电脑公司有些终端的串口是ＴＴＬ电平）。
ＲＳ－２３２Ｃ标准是美国ＥＩＡ(电子工业联合会)与ＢＥＬＬ等公司一起开发的、于１９６９年公布的通信协议，全称是ＥＩＡ－ＲＳ－２３２Ｃ。它适于数据传输速率在０～２００００ｂｐｓ的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与ＲＳ－２３２Ｃ制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。
ＲＳ－２３２Ｃ采用负逻辑，规定＋３Ｖ～＋１５Ｖ任意电压表示逻辑０（或信号有效），－３Ｖ～－１５Ｖ任意电压表示逻辑１（或信号无效）。
目前生产ＴＦＴ液晶显示屏的厂家主要有ＬＧ．ＰＨＩＬＩＰＳ、ＳＡＭＳＵＮＧ、ＳＨＡＲＰ、ＮＥＣ等。这些显示屏，有的是ＴＴＬ电平接口，有的是ＬＶＤＳ接口。使用ＴＴＬ电平接口，其有效距离仅为５０ｃｍ?鸦如果是３．３Ｖ电平，传输距离更短。在终端应用中，一般是显示屏与主机结合为一体，但是也有显示屏远离主机的情况，所以这里简要介绍一下ＬＶＤＳ信号。目前ＬＶＤＳ技术在传输距离上有其局限性，一般应用在２０ｍ以下。
ＬＶＤＳ(Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ)是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号（约３５０ｍＶ）通过一对差分ＰＣＢ走线或平衡电缆传输数据。ＬＶＤＳ在两个标准中定义：ＩＥＥＥ Ｐ１５９６．３(１９９６年３月通过)，主要面向ＳＣＩ(Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)；ＡＮＳＩ／ＥＩＡ／ＥＩＡ－６４４(１９９５年１１月通过)，主要定义了ＬＶＤＳ的电特性，并建议了６５５Ｍｂｐｓ的最大速率和１．８２３Ｇｂｐｓ的无失真媒质上的理论极限速率。在两个标准中都指定了与物理媒质无关的特性，这意味着只要媒质在指定的噪声边缘和歪斜容忍范围内发送信号到接收器，接口都能正常工作。
图１为ＬＶＤＳ的原理简图，其驱动器由一个恒流源（通常为３．５ｍＡ）驱动一对差分信号线组成。在接收端有一个高的直流输入阻抗（几乎不会消耗电流），所以几乎全部的驱动电流将流经１００Ω的终端电阻在接收器输入端产生约３５０ｍＶ的电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生一个有效的“０”或“１”逻辑状态。
ＬＶＤＳ技术的恒流源模式低摆幅输出意味着ＬＶＤＳ具有很高的传输速度，能较好地抑制共模信号，并行的差分信号降低了周围的电磁干扰，ＣＭＯＳ工艺保证了较低的静态功耗。另外，由于是低摆幅差分信号技术，其驱动和接收不依赖于供电电压，因此，ＬＶＤＳ能比较容易应用于低电压系统中，如３．３Ｖ甚至２．５Ｖ，保持同样的信号电平和性能。ＬＶＤＳ也易于匹配终端。无论其传输介质是电缆还是ＰＣＢ走线，都必须与终端匹配，以减少不希望的电磁辐射，提供最佳的信号质量。通常，一个尽可能靠近接收输入端的１００Ω终端电阻跨在差分线上即可提供良好的匹配。
３ ３.３Ｖ和５.０Ｖ电平信号的转换
在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件互相接口时存在以下几个问题：
第一，加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或者分离元件接到Ｖｃｃ。如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在３．３Ｖ器件的输入端加上５Ｖ的信号，则５Ｖ电源会向３．３Ｖ电源充电。持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。
第二，两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时，３．３Ｖ电源降落到０Ｖ，大电流将流通到地，这使得总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管在３．３Ｖ的工作状态还是在０Ｖ的等待状态都不允许电流流向Ｖｃｃ。
第三，接口输入转换门限问题。５Ｖ器件和３．３Ｖ器件的接口有很多情况，同样ＴＴＬ和ＣＭＯＳ间的电平转换也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平，并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。
基于上述情况，５Ｖ器件和３．３Ｖ器件是不能直接接口的。有些半导体器件制造厂家就推出了具有５Ｖ输入容限的３．３Ｖ器件，这种器件输入端具有ＥＳＤ保护电路。实际上数字电路的所有输入端都有一个ＥＳＤ保护电路，传统的ＣＭＯＳ电路通过接地二极管对负向高电压限幅，正向高电压则由二极管钳位。这种电路的缺点是最大的输入电压被限制在３．３Ｖ＋０．５Ｖ（二极管压降）以内（否则电流将流向３．３Ｖ电源）。而大多数５Ｖ系统输出端的电压可达３．６Ｖ以上，因此采用了这种电路结构的３．３Ｖ器件是不能与５Ｖ器件输出端直接接口的。如果采用相当于快速齐纳二极管的ＭＯＳ场效应管代替上述钳位二极管，实现对高电压限幅，并且去掉接到Ｖｃｃ（３．３Ｖ）的二极管，那么最大输入电压不受Ｖｃｃ（３．３Ｖ）的限制。典型情况下，这种电路的击穿电压在７Ｖ～１０Ｖ之间。因此，这种改进后具有ＥＳＤ保护电路的３．３Ｖ系统的输入端可以承受５Ｖ的输入电压。为了防止在３．３Ｖ器件的输出端可能存在电流倒灌问题，还需要在输出端加保护电路，当加到输出端电压高于Ｖｃｃ（３．３Ｖ）时，保护电路的比较器会断开电流倒灌通路，这样在三态方式时就能与５Ｖ器件相连。
分析各种逻辑电平信号的电特性（见表１），会发现有以下五种接口情况：
第一，相同供电电压的ＴＴＬ器件驱动ＣＭＯＳ器件时，ＴＴＬ器件的输出高电平可能达不到ＣＭＯＳ器件的输入高电平的最小值。３．３Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，３．３Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．８ＶＣＣ（３．３Ｖ×０．８＝２．６４Ｖ）；５．０Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，５．０Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．７ＶＣＣ（３．５Ｖ）。为了可靠地传输数据，可以将ＴＴＬ器件的输出端上拉。有些ＣＭＯＳ工艺制造的器件兼容 ＴＴＬ电平，这样就可以与相同供电电压的ＴＴＬ器件直接接口，不需要上拉。
第二，相同供电电压的ＣＭＯＳ器件驱动ＴＴＬ器件，电平匹配，数据能可靠地传输。
第三，不同供电电压的ＴＴＬ器件驱动ＣＭＯＳ器件时，ＴＴＬ器件的输出高电平也可能达不到ＣＭＯＳ器件的输入高电平的最小值。３．３Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，５．０Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．７ＶＣＣ（３．５Ｖ），电平不匹配；５．０Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，３．３Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．８ＶＣＣ（２．６４Ｖ），可以将５．０Ｖ ＴＴＬ器件的输出端上拉，达到电平匹配的目的。
第四，不同供电电压的ＣＭＯＳ器件驱动ＴＴＬ器件时，在输入端具有５Ｖ容限的情况下，电平匹配，数据能可靠地传输。
第五，不同供电电压的ＴＴＬ器件在输入端具有５Ｖ容限的情况下可以直接接口；不同供电电压的ＣＭＯＳ器件由于电平不匹配不能直接接口。
由以上分析可知，不同逻辑标准的电平信号一般是不能直接接口的。在只有少量信号需要电平转换的情况下，可以考虑上拉电阻或选择具有５Ｖ输入容限的器件，甚至可以考虑电阻分压降低输入电压的办法。对于大量信号需要电平转换的情况，为了可靠传输数据，可以采用双电压（一边是３．３Ｖ，另一边是５Ｖ）供电的双向驱动器来实现电平转换。如仙童半导体公司的７４ＬＶＸ４２４５、ＴＩ公司的ＳＮ７４ＡＬＶＣ１６４２４５、ＳＮ７４ＡＬＶＣ４２４５
等芯片，可以较好地解决３．３Ｖ与５Ｖ电平的转换问题。
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４ ３.３Ｖ、５.０Ｖ电平信号与ＲＳ－２３２电平信号的转换
在ＴＦＴ彩色液晶网络终端系统中，Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５微处理器有３个与１６５５０标准兼容的ＵＡＲＴ端口，３．３Ｖ ＣＭＯＳ逻辑结构。终端外围设备一般都遵守ＲＳ－２３２Ｃ标准的串口，因此必须进行ＥＩＡ－ＲＳ－２３２Ｃ与Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５电平和逻辑关系的转换。实现这种变换的方法很多，可用分离元件，也可用集成电路。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如ＭＣ１４８８、ＳＮ７５１５０等芯片可完成ＴＴＬ电平到串口电平的转换。ＭＣ１４８９、ＳＮ７５１５４可实现串口电平到ＴＴＬ电平的转换。ＭＡＸ２３２／ＭＡＸ２３２Ａ、ＭＡＸ３２２１／ＭＡＸ３２２３ 等芯片可完成多路３Ｖ～５Ｖ电平与串口电平的双向转换。在ＴＦＴ彩色液晶网络终端系统中，串口多达８路，从价格和电路的复杂性等方面考虑，选用Ｉｎｔｅｌｓｉｌ公司的ＨＩＮ２３２。ＨＩＮ２３２的供电电压是５．０Ｖ，它的接收模块的输出管脚、发送模块的输入管脚的逻辑电平与ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容。
５ ３.３Ｖ电平信号与ＬＶＤＳ信号的转换
Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５微处理器的ＬＣＤ控制模块提供１６位显示数据，行、场同步信号，象素时钟，输出使能信号。在ＴＦＴ显示模式下，红色５位，绿色６位，蓝色５位。这些信号都是３．３Ｖ ＣＭＯＳ电平。国家半导体公司推出的ＤＳ９０Ｃ３８５发送器，专用于将ＬＶＴＴＬ和ＬＶＣＭＯＳ信号转换为ＬＶＤＳ数据流。在选用转换芯片时，一定要注意转换速率是否满足系统需要。
在今后的数字逻辑系统的设计中，会经常遇到混合逻辑电平的接口问题。只要深入理解各种逻辑电平的电特性，同时注意一些具体问题，例如转换速率等，就能设计出正确的接口电路，保证数据可靠传输。
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