74系列邏輯器件從問(wèn)世的40多年以來(lái)，雖然一直受到來(lái)自可編程器件和系統(tǒng)級(jí)芯片的激烈競(jìng)爭(zhēng)，但依然有一定的市場(chǎng)需求。它們通常能以高效和高性價(jià)比的方案來(lái)處理與顯示的接口、在電路板或背板上傳送信號(hào)、處理多信號(hào)位操作、信號(hào)屏蔽、啟動(dòng)芯片等類似問(wèn)題。

　　新一代邏輯器件已經(jīng)出現(xiàn)，其特點(diǎn)是工作電壓低，可以和其他低電壓的器件，例如采用領(lǐng)先65納米和45納米工藝的FPGA、存儲(chǔ)卡以及微型控制器等，直接連接。內(nèi)核電壓可低至1.2V，而輸入輸出的電壓一般為3.3伏、2.5伏或1.8伏。

　　為了利用現(xiàn)有的元件種類和功能建立完整的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師需要使用能在不同電壓下運(yùn)行的邏輯器件，一般來(lái)說(shuō)，使用只支持一個(gè)輸入電壓運(yùn)行的器件來(lái)建造整個(gè)系統(tǒng)是不可能的。此外，成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴于能夠有效實(shí)現(xiàn)不同工作電壓器件之間連接的方法。

　　現(xiàn)在，邏輯器件的設(shè)計(jì)需要注意這些，因?yàn)槠骷仨毮軌驅(qū)θ魏屋斎氲男盘?hào)做出正確的判斷(是或非)。所以有必要保證不同類型和不同代的器件間的互用性，并且需要能夠支持不同的電平，例如3.3伏和5伏之間的轉(zhuǎn)換，或者更低的電壓標(biāo)準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換。

　　處理高電壓和低電壓

　　圖1顯示了對(duì)不同電源電壓和器件技術(shù)的閾值。為了成功的連接兩個(gè)器件，必須滿足以下條件：驅(qū)動(dòng)器的VOH必須比接收器的VIH高，驅(qū)動(dòng)器的VOL必須比接收器的VIL低，驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓不能超過(guò)接收器能夠承受的輸入/輸出電壓。

　　這些條件意味著一個(gè)擁有較高的輸入/輸出電壓的器件可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)較低電壓的器件，只要較低電壓的器件可以承受對(duì)其施加的最高電壓值。

　　單向電平轉(zhuǎn)換

　　允許超壓的器件在輸入的VCC沒(méi)有鉗位二極管，柵氧化層也較厚，使得器件可以接受比自身VCC更高的電壓。然而，這些器件也有一些限制。如果輸入信號(hào)上升或下降較慢，器件在較低電壓標(biāo)準(zhǔn)的極限值會(huì)轉(zhuǎn)換，從而擾亂輸出信號(hào)。這可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，比如對(duì)時(shí)鐘負(fù)載周期產(chǎn)生微小變化。

　　另一方面，較低電壓輸出無(wú)法驅(qū)動(dòng)較高電壓的輸入。擁有漏極開(kāi)路輸出的器件可以通過(guò)使用外部的負(fù)載電阻在較高或較低電壓下驅(qū)動(dòng)輸入。圖2展示了推挽電路如何驅(qū)動(dòng)增加的一個(gè)漏極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器，輸出的晶體管電源通過(guò)一個(gè)負(fù)載電阻連接在驅(qū)動(dòng)器件的VCC。這種結(jié)構(gòu)適用于低到高或高到低的轉(zhuǎn)換。

　　74LVC06A/74LCX06是一個(gè)低電壓(3.3伏)16進(jìn)制反向器/緩沖的例子，擁有允許過(guò)壓的輸入和漏極開(kāi)路輸出。這個(gè)器件可以在需要高到低或者低到高電壓轉(zhuǎn)換時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線。

　　使用漏極開(kāi)路器件轉(zhuǎn)換電平的一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)輸出的晶體管被啟動(dòng)時(shí)，在輸出為低的條件下，持續(xù)的電流將通過(guò)負(fù)載電阻流向地。這會(huì)帶來(lái)相對(duì)較高的功率消耗。提高負(fù)載電阻值可以減小電流，但由于負(fù)載電阻和電容帶來(lái)的綜合效應(yīng)，時(shí)間系數(shù)會(huì)較長(zhǎng)。這會(huì)減慢信號(hào)邊沿，對(duì)某些高速轉(zhuǎn)換或總線應(yīng)用不實(shí)際。

　　總線開(kāi)關(guān)/FET-開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器

　　轉(zhuǎn)換總線開(kāi)關(guān)、或FET開(kāi)關(guān)，是另一類可以在兩種不同的邏輯電平間連接的器件。圖3簡(jiǎn)單展示了一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)如何被用來(lái)啟動(dòng)總線開(kāi)關(guān)。它將A端口和B端口相連，并且提供追蹤VCC的電壓轉(zhuǎn)換。74CBTD和CB3T邏輯器件系列包含不同配置的總線開(kāi)關(guān)，例如雙路或四路設(shè)置。CB3T系列完全支持混合模式信號(hào)工作，包括5伏和3.3伏或5伏/3.3伏與2.5伏，也可以在介于2.3伏和3.6伏之間的VCC下工作。CBTD系列允許5伏和3伏之間的電平轉(zhuǎn)換。

　　對(duì)一個(gè)字節(jié)或詞長(zhǎng)度的總線進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，讀或?qū)懙男盘?hào)可以用來(lái)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。對(duì)較小的單線或雙線總線進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí)，如Maxim MAX3370–MAX3393系列等轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部電路可使器件在所有電平級(jí)工作，支持由低到高或高到低的混合邏輯電平轉(zhuǎn)換，也可以進(jìn)行單向和／或者雙向轉(zhuǎn)換。圖4顯示了MAX3373芯片，省去了單獨(dú)的使能腳，同時(shí)集成了一個(gè)加速開(kāi)關(guān)從而將電容負(fù)載對(duì)信號(hào)速度的影響降至最低。這樣，推挽式驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的信號(hào)可以以高達(dá)20Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)。

　　然而，使用總線開(kāi)關(guān)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換也有一些缺點(diǎn)。如圖5所示，德州儀器的SN74CB3T3306含有兩個(gè)1-位總線開(kāi)關(guān)，在3伏的VCC下工作，用來(lái)作為一個(gè)3伏的總線和5伏(TTL)總線間的連接。

　　將3伏總線和5伏總線連接時(shí)，5伏一方的VOH信號(hào)會(huì)箝位在大約2.8伏。盡管這對(duì)于5伏的TTL器件還是一個(gè)合理的VIH電平，但它的噪音區(qū)間較小，大約為2.8伏-2.0伏=800豪伏。此外，因?yàn)镃B3T的高輸出沒(méi)有完全輸送到VCC，5伏接收器消耗的功率較多。

　　另外，如果一個(gè)CB3T器件被用作3伏CMOS總線和5伏CMOS邏輯元件的連接，就需要一個(gè)負(fù)載電阻，因?yàn)?.8伏不夠作為5伏CMOS邏輯元件的VIH電壓。

　　雙重輸入電平轉(zhuǎn)換

　　雙重輸入器件可以解決不同電平間邏輯連接時(shí)帶來(lái)的某些速度和消耗功率的問(wèn)題。這些器件使用兩個(gè)輸入電壓，將在VCCA下工作的Ａ方連接到VCCB下工作的Ｂ方。同時(shí)提供一個(gè)DIR輸入，使器件可以進(jìn)行Ａ到Ｂ或Ｂ到Ａ的雙向轉(zhuǎn)換。雙重輸入器件有很多不同的位寬，并且涵蓋差不多所有現(xiàn)今使用的輸入電壓。

　　雙重輸入器件的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電流，使他們可以解決使用負(fù)載電阻時(shí)CR負(fù)載帶來(lái)的信號(hào)邊沿減緩的問(wèn)題。需要時(shí)，他們也可以在較長(zhǎng)的走線長(zhǎng)度下使用。這些器件有很多種設(shè)置，包括多組器件，例如74AVCB320245。這種器件使用四組，每組8位，這樣，一組可以用來(lái)將3.3伏轉(zhuǎn)換為1.8伏，而另一組將1.8伏轉(zhuǎn)換為3.3伏。主要的制造商都提供74AVC系列器件，包括德州儀器、NXP、Fairchild和意法半導(dǎo)體。

　　隨著邏輯技術(shù)向更低的工作電壓發(fā)展，使用TI AUC或類似技術(shù)的新總線電平轉(zhuǎn)換器件也已經(jīng)出現(xiàn)，可以對(duì)介于1.1伏到3.3伏間的電平進(jìn)行上下轉(zhuǎn)換。此外，非74系列的電平轉(zhuǎn)換器件，例如Fairchild的FXL系列或意法半導(dǎo)體的STxG器件利用雙重輸入的靈活性，實(shí)現(xiàn)系列存儲(chǔ)卡，I2C端口或UART等器件的連接。FXL系列可以對(duì)介于1.0伏到3.3伏間的電平進(jìn)行上下轉(zhuǎn)換。意法半導(dǎo)體的電平轉(zhuǎn)換器可以處理1.4伏到最高5.5伏的電平轉(zhuǎn)換，接口范圍包括從1位(ST1G)到16位(ST16G)不等。

　　這些新出現(xiàn)的系列器件一般都大量使用節(jié)能技術(shù)和超小型包裝，例如QFN無(wú)鉛或μTFBGA技術(shù)，支持便攜式和使用電池的產(chǎn)品，例如手機(jī)、照相機(jī)、個(gè)人媒體播放器和掌上電腦等。

　　無(wú)方向電平轉(zhuǎn)換

　　電平轉(zhuǎn)換的下一步是使轉(zhuǎn)換方向不再受處理器軟件的控制。擁有TXB01xxx和TXS01xxx系列的德州儀器公司已經(jīng)通過(guò)更復(fù)雜的基于CMOS邏輯反向器和針對(duì)緩沖類轉(zhuǎn)換器的推挽結(jié)構(gòu)做到這一點(diǎn)，另一種方法是集成負(fù)載電阻和流通晶體管做成自動(dòng)探測(cè)方向的開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器。德州儀器的自動(dòng)探測(cè)方向轉(zhuǎn)換器在不同的界面電平下，特別適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。他們可以通過(guò)省下傳統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換器需要的控制方向的信號(hào)，提高下一代處理器和配套器件的連接性。這可以降低控制軟件的復(fù)雜性，同時(shí)在核心處理器上節(jié)省珍貴的GPIO信號(hào)。這些部件有自動(dòng)的可重新設(shè)置的輸入/輸出緩沖，因此每一個(gè)輸入/輸出端口同時(shí)設(shè)置為輸入和輸出。

　　本文小結(jié)

　　接下來(lái)幾代的CMOS封裝流程將在越來(lái)越低的輸入電壓下運(yùn)行。設(shè)計(jì)師需要能夠使用這些低壓器件，從而利用最新的高速、低功率硅晶體，但同時(shí)必須能夠同其他的次級(jí)系統(tǒng)元件相連，例如液晶顯示屏。這需要收發(fā)器在較高電壓下運(yùn)行，因此帶來(lái)對(duì)電平轉(zhuǎn)換功能的需求。

　　目前已有很多邏輯器件可以滿足設(shè)計(jì)師最低工作電壓的要求，低至0.8伏的邏輯電平和1.2伏的其他器件，例如微型控制器、FPGA、ASIC和ASSP，到高達(dá)3.3伏或5伏CMOS電壓下工作的電路進(jìn)行連接。一如既往，需求總是在功耗、速度、尺寸和成本間衡量選擇。