??? 摘? 要: 介紹了3.3V和5.0V邏輯電平" title="邏輯電平">邏輯電平、RS-232C邏輯電平、LVDS信號的電特性,討論了它們相互間的接口技術。?
??? 關鍵詞: 接口? 邏輯電平? 電源變換
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??? 在功耗低、體積小的便攜式設備(蜂窩電話、PDA、筆記本電腦、數字相機等)的應用需求驅動下,越來越多的半導體器件采用低電壓設計技術,很多半導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準得以廣泛應用。在新一代的銀行終端、教育終端等產品的設計過程中,為了降低成本、保持與終端外設的兼容性,還需要在同一系統中采用許多不同邏輯標準的器件,因此在同一系統中不可避免地存在不同供電電壓" title="供電電壓">供電電壓的模塊。如何解決不同的邏輯電平信號間的接口問題,就成了硬件工程師面臨的關鍵技術。本文結合TFT彩色液晶網絡終端的設計,詳細介紹了幾種邏輯電平信號的接口特性,并討論了它們之間的接口技術。?
1 DC/DC電源變換?
??? 傳統的線性穩壓器,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,同時傳統的線性穩壓器轉換效率低,發熱量大,所以LM117系列已經不能滿足低功耗小體積的應用系統的電源設計要求。電池供電的便攜式設備,對于電源轉換效率和散熱要求更高,所以必須尋求其他的解決方案。?
??? TFT彩色液晶網絡終端主板涉及大量的5.0V和3.3V邏輯信號,必須有5.0V和3.3V兩個供電模塊。為了與其它系列終端的外置電源兼容,這里采用國家半導體公司的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是基于開關電源技術的低電壓輸出單片集成電路,內置52kHz的振蕩電路,僅僅需要4個外圍器件,電源轉換效率高達77%,輸出電流最大可達3A,發熱量小,電磁輻射小,可靠性高。?
??? 面對低電壓電源的需求,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,可以實現5V轉3.3V/2.5V、3.3V轉2.5V/1.8V等要求。生產LDO的公司很多,如ALPHA、 LT(Linear Technology)、 NI (National semiconductor)、TI等。低壓差線性穩壓器MIC5207特別適合手持的電池供電設備,它有一個與COMS、TTL電平兼容的使能控制引腳,便于關斷電源降低功耗,其外圍電路也特別簡單。?
2 各種邏輯電平信號的電特性?
??? 在TFT彩色液晶網絡終端系統中,中央處理器Intel PXA255的I/O端口是3.3V的CMOS結構;USB Host控制器SL811HS的I/O端口是3.3V的CMOS結構,兼容TTL電平;超級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準的不同器件,端口的電特性可能略有不同,即使是同一器件,在不同環境下表現出的電特性也是不同的,所以在設計電路時,一定要具體情況具體分析。?
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??? 表1中,VOH表示輸出高電平" title="高電平">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。?
??? 銀行終端需要外接的串口" title="串口">串口設備多達8個以上,所以解決RS-232C串口與3.3V和5.0V邏輯電平接口也是TFT彩色液晶網絡終端系統的一項重要技術(實達電腦公司有些終端的串口是TTL電平)。?
??? RS-232C標準是美國EIA(電子工業聯合會)與BELL等公司一起開發的、于1969年公布的通信協議,全稱是EIA-RS-232C。它適于數據傳輸速率在0～20000bps的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題,如信號線功能、電特性都作了明確規定。由于通信設備廠商都生產與RS-232C制式兼容的通信設備,因此,它作為一種標準,目前已在微機通信接口中廣泛采用。?
??? RS-232C采用負邏輯,規定+3V～+15V任意電壓表示邏輯0(或信號有效),-3V～-15V任意電壓表示邏輯1(或信號無效)。?
??? 目前生產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;如果是3.3V電平,傳輸距離更短。在終端應用中,一般是顯示屏與主機結合為一體,但是也有顯示屏遠離主機的情況,所以這里簡要介紹一下LVDS信號。目前LVDS技術在傳輸距離上有其局限性,一般應用在20m以下。?
??? LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一種小振幅差分信號技術,使用非常低的幅度信號(約350mV)通過一對差分PCB走線或平衡電纜傳輸數據。LVDS在兩個標準中定義: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的無失真媒質上的理論極限速率。在兩個標準中都指定了與物理媒質無關的特性,這意味著只要媒質在指定的噪聲邊緣和歪斜容忍范圍內發送信號到接收器,接口都能正常工作。?
??? 圖1為LVDS的原理簡圖,其驅動器由一個恒流源(通常為3.5mA)驅動一對差分信號線組成。在接收端有一個高的直流輸入阻抗(幾乎不會消耗電流),所以幾乎全部的驅動電流將流經100Ω的終端電阻在接收器輸入端產生約350mV的電壓。當驅動狀態反轉時,流經電阻的電流方向改變,于是在接收端產生一個有效的“0”或“1”邏輯狀態。?
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??? LVDS技術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,并行的差分信號降低了周圍的電磁干擾,CMOS工藝保證了較低的靜態功耗。另外,由于是低擺幅差分信號技術,其驅動和接收不依賴于供電電壓,因此,LVDS能比較容易應用于低電壓系統中,如3.3V甚至2.5V,保持同樣的信號電平和性能。LVDS也易于匹配終端。無論其傳輸介質是電纜還是PCB走線,都必須與終端匹配,以減少不希望的電磁輻射,提供最佳的信號質量。通常,一個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電平信號的轉換?
??? 在混合電壓系統中,不同電源電壓的邏輯器件互相接口時存在以下幾個問題: ?
??? 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,則5V電源會向3.3V電源充電。持續的電流將會損壞二極管和其它電路元件。
??? 第二,兩個電源間電流的互串問題。在等待或者掉電方式時,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,這些情況將引起數據丟失和元件損壞。必須注意的是:不管在3.3V的工作狀態還是在0V的等待狀態都不允許電流流向Vcc。
??? 第三,接口輸入轉換門限問題。5V器件和3.3V器件的接口有很多情況,同樣TTL和CMOS間的電平轉換也存在著不同情況。驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平,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保護電路" title="保護電路">保護電路。實際上數字電路的所有輸入端都有一個ESD保護電路,傳統的CMOS電路通過接地二極管對負向高電壓限幅,正向高電壓則由二極管鉗位。這種電路的缺點是最大的輸入電壓被限制在3.3V+0.5V(二極管壓降)以內(否則電流將流向3.3V電源)。而大多數5V系統輸出端的電壓可達3.6V以上,因此采用了這種電路結構的3.3V器件是不能與5V器件輸出端直接接口的。如果采用相當于快速齊納二極管的MOS場效應管代替上述鉗位二極管,實現對高電壓限幅,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,這種改進后具有ESD保護電路的3.3V系統的輸入端可以承受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電路,當加到輸出端電壓高于Vcc(3.3V)時,保護電路的比較器會斷開電流倒灌通路,這樣在三態方式時就能與5V器件相連。
??? 分析各種邏輯電平信號的電特性(見表1),會發現有以下五種接口情況:?
??? 第一,相同供電電壓的TTL器件驅動CMOS器件時,TTL器件的輸出高電平可能達不到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)。為了可靠地傳輸數據,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器件驅動TTL器件,電平匹配,數據能可靠地傳輸。?
??? 第三,不同供電電壓的TTL器件驅動CMOS器件時,TTL器件的輸出高電平也可能達不到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,達到電平匹配的目的。
??? 第四,不同供電電壓的CMOS器件驅動TTL器件時,在輸入端具有5V容限的情況下,電平匹配,數據能可靠地傳輸。?
??? 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,不同邏輯標準的電平信號一般是不能直接接口的。在只有少量信號需要電平轉換的情況下,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。對于大量信號需要電平轉換的情況,為了可靠傳輸數據,可以采用雙電壓(一邊是3.3V,另一邊是5V)供電的雙向驅動器來實現電平轉換。如仙童半導體公司的74LVX4245、TI公司的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片,可以較好地解決3.3V與5V電平的轉換問題。?
4 3.3V、5.0V電平信號與RS-232電平信號的轉換?
??? 在TFT彩色液晶網絡終端系統中,Intel PXA255微處理器有3個與16550標準兼容的UART端口,3.3V CMOS邏輯結構。終端外圍設備一般都遵守RS-232C標準的串口,因此必須進行EIA-RS-232C與Intel PXA255電平和邏輯關系的轉換。實現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換器件,如MC1488、SN75150等芯片可完成TTL電平到串口電平的轉換。MC1489、SN75154可實現串口電平到TTL電平的轉換。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換。在TFT彩色液晶網絡終端系統中,串口多達8路,從價格和電路的復雜性等方面考慮,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電平信號與LVDS信號的轉換?
??? Intel PXA255微處理器的LCD控制模塊提供16位顯示數據,行、場同步信號,象素時鐘,輸出使能信號。在TFT顯示模式下,紅色5位,綠色6位,藍色5位。這些信號都是3.3V CMOS電平。國家半導體公司推出的DS90C385發送器,專用于將LVTTL和LVCMOS信號轉換為LVDS數據流。在選用轉換芯片時,一定要注意轉換速率是否滿足系統需要。
????在今后的數字邏輯系統的設計中,會經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,同時注意一些具體問題,例如轉換速率等,就能設計出正確的接口電路,保證數據可靠傳輸。?
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