混合逻辑电平的接口技术

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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 逻辑标准 GND VCC VOH(最小值) VOL(最大值) VIH(最小值) VIL(最大值) 3.3V COMS 0.0V 3.3V Vcc-0.1V(3.2V) 0.4V 0.8Vcc(2.64V) 0.2Vcc(0.66V) 3.3V TTL 0.0V 3.3V 2.4V 0.4V 2.0V 0.8V 5.0V CMOS 0.0V 5.0V 3.5V 0.4V 0.7Vcc(3.5V) 0.3Voc(1.5V) 5.0V TTL 0.0V 5.0V 2.4V 0.4V 2.0V 0.8V 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%26;#215;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。 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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