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混合邏輯電平的接口技術(shù)
摘要:介紹了3.3V和5.0V邏輯電平、RS-232C邏輯電平、LVDS信號(hào)的電特性,討論了它們相互間的接口技術(shù)。關(guān)鍵詞:接口 邏輯電平 電源變換
在功耗低、體積小的便攜式設(shè)備(蜂窩電話、PDA、筆記本電腦、數(shù)字相機(jī)等)的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)下,越來越多的半導(dǎo)體器件采用低電壓設(shè)計(jì)技術(shù),很多半導(dǎo)體器件制造廠家紛紛推出3.3V和2.5V等一系列超低功耗集成電路。這樣使很多低電壓邏輯標(biāo)準(zhǔn)得以廣泛應(yīng)用。在新一代的銀行終端、教育終端等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中,為了降低成本、保持與終端外設(shè)的兼容性,還需要在同一系統(tǒng)中采用許多不同邏輯標(biāo)準(zhǔn)的器件,因此在同一系統(tǒng)中不可避免地存在不同供電電壓的模塊。如何解決不同的邏輯電平信號(hào)間的接口問題,就成了硬件工程師面臨的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合TFT彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了幾種邏輯電平信號(hào)的接口特性,并討論了它們之間的接口技術(shù)。
1 DC/DC電源變換
傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器,如LM117系列都要求輸入電壓比輸出電壓高3V以上,否則不能正常工作,同時(shí)傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率低,發(fā)熱量大,所以LM117系列已經(jīng)不能滿足低功耗小體積的應(yīng)用系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)要求。電池供電的便攜式設(shè)備,對(duì)于電源轉(zhuǎn)換效率和散熱要求更高,所以必須尋求其他的解決方案。
TFT彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端主板涉及大量的5.0V和3.3V邏輯信號(hào),必須有5.0V和3.3V兩個(gè)供電模塊。為了與其它系列終端的外置電源兼容,這里采用國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM2576從12V變換到5V,再采用MICREL公司的MIC5207(或Linear公司的LT1086)從5V變換到3.3V。
LM2576是基于開關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出單片集成電路,內(nèi)置52kHz的振蕩電路,僅僅需要4個(gè)外圍器件,電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)77%,輸出電流最大可達(dá)3A,發(fā)熱量小,電磁輻射小,可靠性高。
面對(duì)低電壓電源的需求,許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩(wěn)壓器LDO(Low Dropout Regulator)。這種電源芯片的壓差可以低至0.2V~1.3V,可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V/2.5V、3.3V轉(zhuǎn)2.5V/1.8V等要求。生產(chǎn)LDO的公司很多,如ALPHA、 LT(Linear Technology)、NI(National semiconductor)、TI等。低壓差線性穩(wěn)壓器MIC5207特別適合手持的電池供電設(shè)備,它有一個(gè)與COMS、TTL電平兼容的使能控制引腳,便于關(guān)斷電源降低功耗,其外圍電路也特別簡(jiǎn)單。
2 各種邏輯電平信號(hào)的電特性
在TFT彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中,中央處理器Intel PXA255的I/O端口是3.3V的CMOS結(jié)構(gòu);USB Host控制器SL811HS的I/O端口是3.3V的CMOS結(jié)構(gòu)?熏兼容TTL電平;超級(jí)I/O控制器W83977ATF具有5.0V CMOS和5.0V TTL兩種 I/O端口。它們的電平特性如表1所示。遵守同一邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)的不同器件,端口的電特性可能略有不同,即使是同一器件,在不同環(huán)境下表現(xiàn)出的電特性也是不同的,所以在設(shè)計(jì)電路時(shí),一定要具體情況具體分析。
表1中,VOH表示輸出高電平的最小值;VOL表示輸出低電平的最大值。表1VIH表示輸入高電平的最小值;VIL表示輸入低電平的最大值。表1列出了器件的常見電特性,有些集成電路略有差別。
表1 PXA255、SL811HS與W83977ATF I/O端口的電平特性
銀行終端需要外接的串口設(shè)備多達(dá)8?jìng)(gè)以上,所以解決RS-232C串口與3.3V和5.0V邏輯電平接口也是TFT彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)(實(shí)達(dá)電腦公司有些終端的串口是TTL電平)。
RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì))與BELL等公司一起開發(fā)的、于1969年公布的通信協(xié)議,全稱是EIA-RS-232C。它適于數(shù)據(jù)傳輸速率在0~20000bps的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問題,如信號(hào)線功能、電特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備,因此,它作為一種標(biāo)準(zhǔn),目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。
RS-232C采用負(fù)邏輯,規(guī)定+3V~+15V任意電壓表示邏輯0(或信號(hào)有效),-3V~-15V任意電壓表示邏輯1(或信號(hào)無效)。
目前生產(chǎn)TFT液晶顯示屏的廠家主要有LG.PHILIPS、SAMSUNG、SHARP、NEC等。這些顯示屏,有的是TTL電平接口,有的是LVDS接口。使用TTL電平接口,其有效距離僅為50cm?鴉如果是3.3V電平,傳輸距離更短。在終端應(yīng)用中,一般是顯示屏與主機(jī)結(jié)合為一體,但是也有顯示屏遠(yuǎn)離主機(jī)的情況,所以這里簡(jiǎn)要介紹一下LVDS信號(hào)。目前LVDS技術(shù)在傳輸距離上有其局限性,一般應(yīng)用在20m以下。
LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù),使用非常低的幅度信號(hào)(約350mV)通過一對(duì)差分PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。LVDS在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中定義:IEEE P1596.3(1996年3月通過),主要面向SCI(Scalable Coherent Interface);ANSI/EIA/EIA-644(1995年11月通過),主要定義了LVDS的電特性,并建議了655Mbps的最大速率和1.823Gbps的無失真媒質(zhì)上的理論極限速率。在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都指定了與物理媒質(zhì)無關(guān)的特性,這意味著只要媒質(zhì)在指定的噪聲邊緣和歪斜容忍范圍內(nèi)發(fā)送信號(hào)到接收器,接口都能正常工作。
圖1為LVDS的原理簡(jiǎn)圖,其驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)恒流源(通常為3.5mA)驅(qū)動(dòng)一對(duì)差分信號(hào)線組成。在接收端有一個(gè)高的直流輸入阻抗(幾乎不會(huì)消耗電流),所以幾乎全部的驅(qū)動(dòng)電流將流經(jīng)100Ω的終端電阻在接收器輸入端產(chǎn)生約350mV的電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)反轉(zhuǎn)時(shí),流經(jīng)電阻的電流方向改變,于是在接收端產(chǎn)生一個(gè)有效的“0”或“1”邏輯狀態(tài)。
LVDS技術(shù)的恒流源模式低擺幅輸出意味著LVDS具有很高的傳輸速度,能較好地抑制共模信號(hào),并行的差分信號(hào)降低了周圍的電磁干擾,CMOS工藝保證了較低的靜態(tài)功耗。另外,由于是低擺幅差分信號(hào)技術(shù),其驅(qū)動(dòng)和接收不依賴于供電電壓,因此,LVDS能比較容易應(yīng)用于低電壓系統(tǒng)中,如3.3V甚至2.5V,保持同樣的信號(hào)電平和性能。LVDS也易于匹配終端。無論其傳輸介質(zhì)是電纜還是PCB走線,都必須與終端匹配,以減少不希望的電磁輻射,提供最佳的信號(hào)質(zhì)量。通常,一個(gè)盡可能靠近接收輸入端的100Ω終端電阻跨在差分線上即可提供良好的匹配。
3 3.3V和5.0V電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換
在混合電壓系統(tǒng)中,不同電源電壓的邏輯器件互相接口時(shí)存在以下幾個(gè)問題:
第一,加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對(duì)加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或者分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高,則電流將會(huì)通過二極管或者分離元件流向電源。例如在3.3V器件的輸入端加上5V的信號(hào),則5V電源會(huì)向3.3V電源充電。持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和其它電路元件。
第二,兩個(gè)電源間電流的互串問題。在等待或者掉電方式時(shí),3.3V電源降落到0V,大電流將流通到地,這使得總線上的高電壓被下拉到地,這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的是:不管在3.3V的工作狀態(tài)還是在0V的等待狀態(tài)都不允許電流流向Vcc。
第三,接口輸入轉(zhuǎn)換門限問題。5V器件和3.3V器件的接口有很多情況,同樣TTL和CMOS間的電平轉(zhuǎn)換也存在著不同情況。驅(qū)動(dòng)器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平,并且要有足夠的容限以保證不損壞電路元件。
基于上述情況,5V器件和3.3V器件是不能直接接口的。有些半導(dǎo)體器件制造廠家就推出了具有5V輸入容限的3.3V器件,這種器件輸入端具有ESD保護(hù)電路。實(shí)際上數(shù)字電路的所有輸入端都有一個(gè)ESD保護(hù)電路,傳統(tǒng)的CMOS電路通過接地二極管對(duì)負(fù)向高電壓限幅,正向高電壓則由二極管鉗位。這種電路的缺點(diǎn)是最大的輸入電壓被限制在3.3V+0.5V(二極管壓降)以內(nèi)(否則電流將流向3.3V電源)。而大多數(shù)5V系統(tǒng)輸出端的電壓可達(dá)3.6V以上,因此采用了這種電路結(jié)構(gòu)的3.3V器件是不能與5V器件輸出端直接接口的。如果采用相當(dāng)于快速齊納二極管的MOS場(chǎng)效應(yīng)管代替上述鉗位二極管,實(shí)現(xiàn)對(duì)高電壓限幅,并且去掉接到Vcc(3.3V)的二極管,那么最大輸入電壓不受Vcc(3.3V)的限制。典型情況下,這種電路的擊穿電壓在7V~10V之間。因此,這種改進(jìn)后具有ESD保護(hù)電路的3.3V系統(tǒng)的輸入端可以承受5V的輸入電壓。為了防止在3.3V器件的輸出端可能存在電流倒灌問題,還需要在輸出端加保護(hù)電路,當(dāng)加到輸出端電壓高于Vcc(3.3V)時(shí),保護(hù)電路的比較器會(huì)斷開電流倒灌通路,這樣在三態(tài)方式時(shí)就能與5V器件相連。
分析各種邏輯電平信號(hào)的電特性(見表1),會(huì)發(fā)現(xiàn)有以下五種接口情況:
第一,相同供電電壓的TTL器件驅(qū)動(dòng)CMOS器件時(shí),TTL器件的輸出高電平可能達(dá)不到CMOS器件的輸入高電平的最小值。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)。為了可靠地傳輸數(shù)據(jù),可以將TTL器件的輸出端上拉。有些CMOS工藝制造的器件兼容 TTL電平,這樣就可以與相同供電電壓的TTL器件直接接口,不需要上拉。
第二,相同供電電壓的CMOS器件驅(qū)動(dòng)TTL器件,電平匹配,數(shù)據(jù)能可靠地傳輸。
第三,不同供電電壓的TTL器件驅(qū)動(dòng)CMOS器件時(shí),TTL器件的輸出高電平也可能達(dá)不到CMOS器件的輸入高電平的最小值。3.3V TTL器件的VOH是2.4V,5.0V CMOS器件的VIH是0.7VCC(3.5V),電平不匹配;5.0V TTL器件的VOH是2.4V,3.3V CMOS器件的VIH是0.8VCC(2.64V),可以將5.0V TTL器件的輸出端上拉,達(dá)到電平匹配的目的。
第四,不同供電電壓的CMOS器件驅(qū)動(dòng)TTL器件時(shí),在輸入端具有5V容限的情況下,電平匹配,數(shù)據(jù)能可靠地傳輸。
第五,不同供電電壓的TTL器件在輸入端具有5V容限的情況下可以直接接口;不同供電電壓的CMOS器件由于電平不匹配不能直接接口。
由以上分析可知,不同邏輯標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)一般是不能直接接口的。在只有少量信號(hào)需要電平轉(zhuǎn)換的情況下,可以考慮上拉電阻或選擇具有5V輸入容限的器件,甚至可以考慮電阻分壓降低輸入電壓的辦法。對(duì)于大量信號(hào)需要電平轉(zhuǎn)換的情況,為了可靠傳輸數(shù)據(jù),可以采用雙電壓(一邊是3.3V,另一邊是5V)供電的雙向驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。如仙童半導(dǎo)體公司的74LVX4245、TI公司的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245
等芯片,可以較好地解決3.3V與5V電平的轉(zhuǎn)換問題。
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4 3.3V、5.0V電平信號(hào)與RS-232電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換
在TFT彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中,Intel PXA255微處理器有3個(gè)與16550標(biāo)準(zhǔn)兼容的UART端口,3.3V CMOS邏輯結(jié)構(gòu)。終端外圍設(shè)備一般都遵守RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的串口,因此必須進(jìn)行EIA-RS-232C與Intel PXA255電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法很多,可用分離元件,也可用集成電路。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件,如MC1488、SN75150等芯片可完成TTL電平到串口電平的轉(zhuǎn)換。MC1489、SN75154可實(shí)現(xiàn)串口電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232/MAX232A、MAX3221/MAX3223 等芯片可完成多路3V~5V電平與串口電平的雙向轉(zhuǎn)換。在TFT彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中,串口多達(dá)8路,從價(jià)格和電路的復(fù)雜性等方面考慮,選用Intelsil公司的HIN232。HIN232的供電電壓是5.0V,它的接收模塊的輸出管腳、發(fā)送模塊的輸入管腳的邏輯電平與TTL/CMOS兼容。
5 3.3V電平信號(hào)與LVDS信號(hào)的轉(zhuǎn)換
Intel PXA255微處理器的LCD控制模塊提供16位顯示數(shù)據(jù),行、場(chǎng)同步信號(hào),象素時(shí)鐘,輸出使能信號(hào)。在TFT顯示模式下,紅色5位,綠色6位,藍(lán)色5位。這些信號(hào)都是3.3V CMOS電平。國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的DS90C385發(fā)送器,專用于將LVTTL和LVCMOS信號(hào)轉(zhuǎn)換為LVDS數(shù)據(jù)流。在選用轉(zhuǎn)換芯片時(shí),一定要注意轉(zhuǎn)換速率是否滿足系統(tǒng)需要。
在今后的數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,會(huì)經(jīng)常遇到混合邏輯電平的接口問題。只要深入理解各種邏輯電平的電特性,同時(shí)注意一些具體問題,例如轉(zhuǎn)換速率等,就能設(shè)計(jì)出正確的接口電路,保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。
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