单片机的电平匹配问题

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简介:一般单片机、DSP、FPGA他们之间管教能否直接相连. 一般情况下,同电压的是可以的,不过最好是要好好查查技术手册上的VIL,VIH,VOL,VOH的值,看是否能够匹配(VOL要小于VIL,VOH要大于VIH,是指一个连接当中的)。有些在一般应用中没有问题,但是参数上就是有点不够匹配,在某些情况下可能就不够稳定,或者不同批次的器件就不能运行。

常用的逻辑电平有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL;RS232、RS422、LVDS等。其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类:5V系列(5V TTL和5V CMOS)、3.3V系列,2.5V系列和1.8V系列。

5V TTL和5V CMOS逻辑电平是通用的逻辑电平。

3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平,常用的为LVTTL电平。

输入高电平(Vih):保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输入电平高于Vih时,则认为输入电平为高电平。

输入低电平(Vil):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输入电平低于Vil时,则认为输入电平为低电平。

输出高电平(Voh):保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh。

输出低电平(Vol):保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此Vol。

阀值电平(Vt):数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于Vil、Vih之间的电压值,对于CMOS电路的阈值电平,基本上是二分之一的电源电压值,但要保证稳定的输出,则必须要求输入高电平> Vih,输入低电平<Vil,而如果输入电平在阈值上下,也就是Vil~Vih这个区域,电路的输出会处于不稳定状态。

TTL:Transistor-Transistor Logic 三极管结构。

Vcc:5V;VOH>=2.4V;VOL<=0.5V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。

因为2.4V与5V之间还有很大空闲,对改善噪声容限并没什么好处,又会白白增大系统功耗,还会影响速度。

所以后来就把一部分“砍”掉了。也就是后面的LVTTL。

LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。

3.3V LVTTL:

Vcc:3.3V;VOH>=2.4V;VOL<=0.4V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。

2.5V LVTTL:

Vcc:2.5V;VOH>=2.0V;VOL<=0.2V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。

更低的LVTTL不常用就先不讲了。多用在处理器等高速芯片,使用时查看芯片手册就OK了。

TTL使用注意:TTL电平一般过冲都会比较严重,可能在始端串22欧或33欧电阻; TTL电平输入脚悬空时是

内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。TTL输出不能驱动CMOS输入。

CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor PMOS+NMOS。

Vcc:5V;VOH>=4.45V;VOL<=0.5V;VIH>=3.5V;VIL<=1.5V。

相对TTL有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。对应3.3V LVTTL,出现了LVCMOS,可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。

3.3V LVCMOS:

Vcc:3.3V;VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。

2.5V LVCMOS:

Vcc:2.5V;VOH>=2V;VOL<=0.1V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。

CMOS使用注意:CMOS结构内部寄生有可控硅结构,当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)

时,电流足够大的话,可能引起闩锁效应,导致芯片的烧毁。

TTL电平与CMOS电平的区别

(一)TTL高电平3.6~5V,低电平0V~2.4V

CMOS电平Vcc可达到12V

CMOS电路输出高电平约为0.9Vcc,而输出低电平约为0.1Vcc。

CMOS电路不使用的输入端不能悬空,会造成逻辑混乱。

TTL电路不使用的输入端悬空为高电平

另外,CMOS集成电路电源电压可以在较大范围内变化,因而对电源的要求不像TTL集成电路那样严格。

用TTL电平他们就可以兼容

(二)TTL电平是5V,CMOS电平一般是12V。

因为TTL电路电源电压是5V,CMOS电路电源电压一般是12V。

5V的电平不能触发CMOS电路,12V的电平会损坏TTL电路,因此不能互相兼容匹配。

(三)TTL电平标准

输出 L: <0.4V ; H:>2.4V。

输入 L: <0.8V ; H:>2.0V

TTL器件输出低电平要小于0.4V,高电平要大于2.4V。输入,低于0.8V就认为是0,高于2.0就认为是1。

CMOS电平:

输出 L: <0.1*Vcc ; H:>0.9*Vcc。

输入 L: <0.3*Vcc ; H:>0.7*Vcc.

以下的内容作为了解:

ECL:Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)

Vcc=0V;Vee:-5.2V;VOH=-0.88V;VOL=-1.72V;VIH=-1.24V;VIL=-1.36V。

速度快,驱动能力强,噪声小,很容易达到几百M的应用。但是功耗大,需要负电源。为简化电源,出现了

PECL(ECL结构,改用正电压供电)和LVPECL。

PECL:Pseudo/Positive ECL

Vcc=5V;VOH=4.12V;VOL=3.28V;VIH=3.78V;VIL=3.64V

LVPELC:Low Voltage PECL

Vcc=3.3V;VOH=2.42V;VOL=1.58V;VIH=2.06V;VIL=1.94V

ECL、PECL、LVPECL使用注意:不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。

以上三种均为射随输出结构,必须有电阻拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL:直流匹配时用

130欧上拉,同时用82欧下拉;交流匹配时

用82欧上拉,同时用130欧下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。)

前面的电平标准摆幅都比较大,为降低电磁辐射,同时提高开关速度又推出LVDS电平标准。

LVDS:Low Voltage Differential Signaling

差分对输入输出,内部有一个恒流源3.5-4mA,在差分线上改变方向来表示0和1。通过外部的100欧匹配电

阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。

LVDS使用注意:可以达到600M以上,PCB要求较高,差分线要求严格等长,差最好不超过10mil(0.25mm)。

100欧电阻离接收端距离不能超过500mil,最好控制在300mil以内。下面的电平用的可能不是很多,篇幅关系,只简单做一下介绍。如果感兴趣的话可以联系我。

CML:是内部做好匹配的一种电路,不需再进行匹配。三极管结构,也是差分线,速度能达到3G以上。只能

点对点传输。

GTL:类似CMOS的一种结构,输入为比较器结构,比较器一端接参考电平,另一端接输入信号。1.2V电源供

电。

Vcc=1.2V;VOH>=1.1V;VOL<=0.4V;VIH>=0.85V;VIL<=0.75V

PGTL/GTL+:

Vcc=1.5V;VOH>=1.4V;VOL<=0.46V;VIH>=1.2V;VIL<=0.8V

HSTL是主要用于QDR存储器的一种电平标准:一般有V&not;CCIO=1.8V和V&not;&not;CCIO=1.5V。和上面的

GTL相似,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平(VCCIO/2),另一端接输入信号。对参考电平

要求比较高(1%精度)。

SSTL主要用于DDR存储器。和HSTL基本相同。V&not;&not;CCIO=2.5V,输入为输入为比较器结构,比较器一

端接参考电平1.25V,另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。

HSTL和SSTL大多用在300M以下。

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