現在很多SOC器件為了降低功耗，都把IO口的電平設計成了1.8V，核電壓0.85V，當這種SOC做主平臺時，在做接口設計需要格外關注電平的匹配。單板中經常需要將1.8V的電平轉換成3.3V或者轉成5V。如果沒有注意到輸入和輸出信號之間的電平匹配，系統就無法正常工作。

這篇文章主要從兩個簡單的案例入手，分析電平轉換電路需要注意的一些問題，以及在此類芯片數據手冊中幾個重要參數的解讀，對開發人員來說，掌握這些器件的參數是器件選型必須關注的點。

1. 三極管做電平轉換

以常見的三極管做1.8V轉3.3V為案例。電路圖如下所示：

OC門輸出的電路，在單板中做電平轉換是較為常見的方法之一。當INPUT信號為1kHz頻率時，2N3904處理起來不會有問題。下面進行仿真。

如果將輸入信號的頻率提高到1MHz，仔細觀察輸入和輸出信號的電平，可見此時輸出信號的上升沿已經有些變緩。

現在將頻率提高到10MHz，輸出波形已經變成了三角波，輸出信號已經產生了失真。

設想一下，如果這個電路用在一個視頻傳輸信號上，數據傳輸的速率是27M，主平臺輸出的數據信號電平1.8V，用這個電路將1.8V轉換到3.3V，接收端就會因為失真導致接收的數據出現錯誤。

2. MOS管做電平轉換

2.1 單板的串口電平轉換電路中

下面這個電路一般用在單板的串口電平轉換電路中。R3可NC掉。

用這個電路進行UART信號電平的轉換，只要MOS管的選型沒問題，基本可以正常的在電路中使用，分析如下：

串口常用波特率為115200，按照起始位，數據位，校驗位，傳輸一個bit所需的時間為8.6us。假設傳輸數據的序列為1010101010……，則一個周期是8.6us，最大所需的開關頻率為116K左右。這樣的頻率，常見的MOS管開關頻率可以做到。仿真的波形如下。

證明了我們的理論分析，實際上由于串口發送的數據不可能是10101010…這樣規則的序列，對MOS管開通和關斷的速率要求可能更低。

2.2 使用MOS管實現雙線電平轉換

使用MOS管搭建電平轉換電路，設計過程中的應用十分廣泛。這種方案主要的特點：結構簡單，建議不要再高速的通信中使用。

根據以上基于分離器件做的電平轉換，可以得出的結論是：

1MOS管或者三級管作電平轉換電路，需要看MOS管和三極管作為開關時，能否有足夠的能力（帶寬）處理高速的變化的電平信號。

1用OC/OD門的器件做電平轉換，兩邊的電平自由度比較大。

3. 集成式電平轉換

集成式的電平轉換在單板中通常使用TI的74系列和ADI的ADG系列。下面是ADI的電平轉換芯片ADG3301。從手冊里面可以很清楚的判斷出該芯片最高支持數據電平轉換的速率為50Mbps。

TI的一些芯片在數據手冊中也會明確的標識出器件支持電平轉換的數據速率。需要注意的是，兩端是不同的電平轉換，器件所能支持的最大的速率不一樣。

這種集成芯片在使用的時，直接根據器件的帶寬進行選型，可以不用考慮像三極管和MOS管這類分離器件的帶寬是否足夠，在設計上能節省不少的時間。

3.1 . 重要參數解讀

仔細閱讀電平轉換芯片的數據手冊，可以看到幾個和時間有關系的參數。這里做一個總結。

（1）transition time

transition time是指信號轉換時間，表征的是信號在兩個電平之間變化所經歷的時間，它是壓擺率的倒數。

下面是NXP的74AHC1G07的數據手冊，transition time描述的是?t/?V，這參數是該芯片對前級輸出信號的要求，即要求輸入到它的信號滿足此參數的要求，它才能準確的識別出信號電平的變化，并做出正確的電平轉換。

如果這個參數不滿足，主要會存在兩個方面的風險：前級信號的驅動能力不足，該信號會容易受到外界干擾。另外一個就是74AHC1G07的功耗會增加。

（2）Slew Rate

Slew Rate是運放比較常見的一個參數壓擺率，單位是V/s，V/ms，V/us。這個參數表征的信號在單位時間內改變的電壓。如果壓擺率比較低，輸出就無法準確的跟上輸入信號的變化，產生失真。壓擺率（slew rate）強調的電壓變化速率，信號轉換（transition time）強調的是信號變化時間。

（3） Propagation Delay

Propagation Delay是指信號的傳播延時，簡單的理解就是輸入信號和輸出信號之間的相位差。

（4）Skew

Skew是指兩個或者多個時間信號之間的時間差。一般用在時鐘樹的場合。比如由晶振產生的時鐘樹，后端有10個端點，并且Skew是100ps，則意味著在10個信號中，最長時鐘路徑和最短時鐘路徑之間的時差為100ps。

3.2自動方向識別式 LSF型電平轉換芯片

將從另外的角度來分析下電平轉換芯片的工作原理和不同類型的電平轉換芯片的差異。板級設計中，電平轉換芯片使用較多，特別是在低功耗的設計中，因為處理器為了降低功耗，外圍的IO口電平基本都是設計為1.8V，但是有些外設的接口，考慮到通用和噪聲兼容性，大多數是3.3V的I/O口。因此，使用1.8V的處理器來驅動3.3V的外設，經常就需要使用到電平轉換芯片。

進行電平轉換的電路非常多，有分離式的，集成式的，有使用晶體管設計的，也有使用MOS管設計的。這篇文章不探討分離式的設計，僅僅對集成式，自動方向識別的電平轉換芯片其中的LSF型進行分析。

TI官網最后一欄的LSF型是本篇文章主要分析的內容，在后續的文章中陸續介紹TXB型和TXS型的使用。

這里選取TI的芯片PCA9306芯片作為原理分析的實例。

上面是硬件框圖，但是，在使用時需要注意VREF1和VREF2的電壓值，為什么會寫這篇文章，因此在實際工作中遇到了有些人在連接時將兩邊的電壓搞反了，導致無法使用。

雖然這個芯片是雙向識別的，但是需要注意，這個芯片的電壓其實并不是雙向的，也就是兩邊的電壓并不是隨意調換。在手冊前面就提到了電壓的要求如下：

VREF1和VREF2的電壓是存在嚴格要求，當VREF1為1.2V時，VREF2的電壓必須比VREF1高，不能在VREF2這邊設定一個0.9V的電壓這樣。下面來具體分析一下為什么會有這樣的要求。

從上面的分析可以看出，如果VREFB太小，在200KΩ電阻上的壓降無法保證VEN能將MOS管打開，所以進行電平轉換時，電壓需要嚴格遵守手冊中的要求。當從B端往A端進行電平轉換時，經過的過程和上面的一樣的，這里不再贅述。

上拉電阻的取值，取決于SW在導通時產生的壓降，手冊中有詳細的推薦值，如果流過SW的電流為15mA，按照表格中取值即可。

這個電平轉換芯片比較常用的場合在od型的總線上，即用在IIC電平轉換時的電路設計中，而TXB和TXS型的電平轉換則用在非OD上比較常見，在后面的文章中會繼續分析。

LSF型電平轉換芯片使用時注意點：

（1）兩邊的電壓VREF1和VREF2并不是取任意值，有嚴格的要求；

（2）可以使用EN關鍵來控制內部開關的開通和關斷實現電平轉換

（3）EN和VREFB管腳連接在一起

（4）注意上拉電阻的取值

（5）可用于高速數據傳輸的場合，可達100MHz

3.3 自動方向識別式 TXB型電平轉換芯片

在上一篇文章分析了LSF型的電平轉換芯片，LSF型電平轉換芯片最常見是應用在I2C總線上。I2C為OD型總線，LSF使用時增加電阻。對于不是OD型總線的電平轉換，比如UART，SPI，普通GPIO口信號，這些信號在進行雙向電平轉換使用什么樣的芯片呢？

從上面的圖可以看出，TXB型和TXS型也是雙向自動識別的芯片，這兩個芯片內部有差異，外圍電路也有差異。僅僅從兩個芯片所帶負載的角度分析TXB型的主要用于高速的場合，要求負載電容小于70pF，數據傳輸速率可達到50Mbps以上。TXS型主要用于低速的場合，負載電容可以達到上百pF，數據傳輸速率一般在50Mbps以下。以TXB型的芯片為例來分析這種芯片的工作原理。TXB是德州儀器TI的TXB系列電平轉換芯片，NXB是恩智浦NXP的NXB系列電平轉換芯片。兩家的芯片內部框圖和原理基本是一樣的。下圖是NXP的NXB0104使用時典型的框圖。

從上面的框圖可以看出，NXB型的電平轉換芯片在使用時可以不需要上拉電阻。查看芯片內部的細節，如下圖所示：

從框圖可以看出，芯片內部主要有ONE SHOT電路，晶體管T1~T4，電阻4KΩ，以及驅動電路。ONE SHOT電路是上升沿，下降沿檢測電路，芯片檢測到管腳的電平發生變化時，ONE SHOT電路會將晶體管打開，這樣做的好處是能加快器件的上升沿和下降沿。如果沒有這個NE SHOT電路，直接使用4KΩ電阻，那么在電平變化時，對負載管腳電容充電的電流為VCCB/4KΩ，這個電流很小，那么上升沿和下降沿會非常緩，導致器件無法工作在高速的場合。因此，ONE SHOT電路的加入，可以有效增加這種電平轉換器件工作在高速的接口上，如SPI接口的電平轉換。下圖是A點由低變高的轉換過程，從分析過程可以看出，在上升沿變化時，此時動作的器件是晶體管T1，驅動器，4KΩ電阻以及上端的ONESHOT電路。

下圖是A點由高變低的轉換過程，整個動作的過程如下圖所示。在下降沿變化時，此時動作的器件是晶體管T2，驅動器，4KΩ電阻以及下端的ONE SHOT電路。

針對這個芯片有幾個問題需要進一步明確。ONE SHOT在什么時候工作？ONE SHOT在工作的時候會檢測信號的高電平和低電平，在電平的5~95%的區間內進行開通和關閉。在使用帶有ONE SHOT模塊的電路時，在調試時，需要測試波形的上升沿和下降沿，特別是上沖和下沖電平。因為晶體管打開時，VCCB直接加到端口上，此時等同于電源直接給負載端的電容充電（忽略T1的導通電阻）。如果整個信號傳輸線上沒有限流電阻，很容易引起過沖或者振鈴出現。

因此，在實際使用時，建議在端口上預留串阻。串阻不僅能防止出現過沖現象，還能避免該管腳出現振鈴，在實際電路中驗證，串阻非常有效。為什么有4KΩ的電阻？這里4KΩ的電阻，既能在電平高轉換時對端口的電壓進行上拉，同時能在低電平轉換時，進行下拉。如果沒有這個4KΩ的電阻，那么ONE SHOT電路在打開后就不能關閉，因為需要維持著高或低電平。而此時如果想進行電平轉換，是無法實現的。具體分析見下圖的分析。所以，4KΩ的電阻既可以讓電平保持在高或低，同時也能讓其他管腳進行拉低。

芯片外部能接上下拉電阻嗎？

可以接上下拉電阻，但是需要注意上下拉電阻的取值，在芯片手冊中有詳細的說明，如下所示：

具體原因分析如下：

詳細的細節可以看TI的這篇文檔《Effects of External Pullup andPulldown Resistors onTXS andTXB Devices》，這篇文章詳細說明了端口的電壓和上下拉電阻的關系。

3.4 方向控制型電壓轉換器（SN54SLC8T245-SEP）

集成芯片實現電平轉，SN54SLC8T245-SEP的主要的特點是轉換方向可控。

3.5 固定方向電壓轉換器（SN74LV4T125-Q1）

集成芯片實現電平轉，SN74LV4T125-Q1的主要的特點是只能朝一個方向進行電平轉換。

3.5 特定功能電平轉換器（ISO1640EVM）

集成芯片實現電平轉，ISO1640EVM的主要的特點是僅用于IIC的電平轉換。

審核編輯：黃飛