CN100359502C - 混合逻辑电平双向总线转换器及连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种混合逻辑电平双向总线转换器及连接方法，包括第一NMOS管(Q1)和第二NMOS管(Q2)，分别连接于电源电压、逻辑电平不同的二部分总线之间，NMOS管的源极连接低电源电压、低逻辑电平的总线一端，漏极连接高电源电压、高逻辑电平的总线一端，门极连接与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同的电压源。无需选择控制的方向信号，能够在较宽的电压范围实现双向电平转换，电路简单，成本低，易于实现，实际应用可大大节省线路板空间，简化了电平转换的设计。

Description

混合逻辑电平双向总线转换器及连接方法
【技术领域】
本发明涉及一种电路及电路连接方法，特别涉及混合逻辑电平双向总线转换器及其连接方法。
【背景技术】
在数字逻辑系统的设计中，经常遇到混合逻辑电平的接口问题。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，TTL或5V CMOS电平已不再占据逻辑电路统治地位；很多半导体器件制造厂家推出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，在新一代的数字电视显示终端等产品的设计过程中，出于降低成本、保持与其它外设的兼容性等考虑，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；从而提高了系统设计的复杂性。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。
例如，当前彩电数字处理电路已逐步采用2.5V或3.3V器件，生产过程中需要外部仪器通过I2C总线调试各参数，而外部仪器I2C接口为5V器件，因彩电生产的各种外部调测仪器为先行配制，要全部更换成3.3V兼容接口，成本太高，也不适合于当前5V、3.3V等IIC总线逻辑电平共存的现状，所以需要首先解决两种电平转换问题；而I2C总线为双向总线，双向总线电平转换需要考虑在单条信号线上实现数据的双向传输，这在具体实施时比较困难，因电阻一二极管等结构由于受其固有的单向传输特性的制约而无法胜任这项工作。
各种不同逻辑电平的电特性，一般会出现类似的以下五种接口情况：
①、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，因为3.3V TTL器件的输出高电平VOH是2.4V，3.3V CMOS器件的输入高电平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)。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2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。
②、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。
③、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，因为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。
④、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。
⑤、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。现有技术方案一般是：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等芯片，可以解决3.3V与5V电平的转换问题，但需要单独的方向选择信号，即由该方向信号控制在某一时刻只能由5V端(或3.3V端)向3.3V端(或5V端)单向传输信号，这在双向的总线系统如I2C总线中是不适用的。
【发明内容】
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种实现不同逻辑电平总线之间连接、转换的电路及简单方法。
为实现上述目的，本发明提出一种混合逻辑电平双向总线转换器，其特征是：包括第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2，所述第一NMOS管的源极连接低电源电压、低逻辑电平的总线串行数据端，漏极连接高电源电压、高逻辑电平的总线串行数据端，门极连接与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同的电压源；所述第二NMOS管的源极连接低电源电压、低逻辑电平的总线串行时钟端，漏极连接高电源电压、高逻辑电平的总线串行时钟端，门极连接与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同的电压源。
上述的双向总线转换器，还包括电压源，该电压源的输出电压与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同，供电于所述第一NMOS管、第二NMOS管的门极。
本发明提出的一种混合逻辑电平双向总线连接方法，在所述电源电压、逻辑电平不同的二部分总线之间，在每条总线线路上连接一个分立的NMOS管，所述NMOS管的源极连接低电源电压、低逻辑电平的总线一端，漏极连接高电源电压、高逻辑电平的总线一端，门极连接与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同的电压源。
上述的双向总线连接方法，所述双向总线为I2C总线，高电源电压、高逻辑电平的总线的供电电压为5V，低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压为3.3V，所述NMOS管的门极供电电压为3.3V。
上述的双向总线连接方法，其特征是：所述双向总线为I2C总线，高电源电压、高逻辑电平的总线的供电电压为10V，低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压为2V，所述NMOS管的门极供电电压为2V。
由于采用了以上的方案，带来如下的有益效果：
本转换器仅仅需要在双向总线上不同电平信号之间的接口串接NMOS器件，无需选择控制的方向信号，能够在较宽的电压范围实现双向电平转换，电路简单，成本低，易于实现，实际应用可大大节省线路板空间，简化了电平转换的设计。本转换器由于对不同电平信号的总线进行隔离，防止高供电电压器件的高电压毛刺的冲击，达到保护低供电电压器件，还将低供电电压器件掉电后与高供电电压器件总线系统隔离开来，保证高供电电压器件仍能正常工作。
【附图说明】
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
图1是本发明原理示意图。
图2是本发明实施例一的电路原理示意图。
图3是本发明实施例二的电路原理示意图。
图4本发明实施例三的电路原理示意图。
【具体实施方式】
实施例一：如图1所示，本混合逻辑电平双向转换电路实际在每条总线线路上连接一个分立的MOS-FET管，通过使用该电路将电源电压(VDD1<>VDD2)和逻辑电平不同的两部分总线连接起来，每条总线线路的电平转换器是相同的。
电路结构原理图如图2所示，5V电压经稳压管D1的稳压，经第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及电阻R1的滤波，转换为3.3V的输出电压，提供给第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2的门极G。第一NMOS管的源极S连接低电源电压、低逻辑电平的总线串行数据(SDA)端，漏极D连接高电源电压、高逻辑电平的总线串行数据端，第二NMOS管的源极S连接低电源电压、低逻辑电平的总线串行时钟(SCL)端，漏极D连接高电源电压、高逻辑电平的总线串行时钟端，工作过程：
1、两逻辑电路电平都为高。即“低电源电压”部分的总线线路总线为3.3V，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2的门极G、源极S都是3.3V，所以它的Vgs低于阀值电压，NMOS管不导通。这就允许“高电源电压”部分的总线线路维持5V。此时总线线路都是高电平，只是电压电平不同。
2、一个“低电压”器件总线端为低电平。NMOS管的源极S变成低电平，而门极G是3.3V，Vgs上升高于阀值，NMOS管开始导通，“高电源电压”总线部分的总线线路通过导通的NMOS管被3.3V器件下拉到低电平。此时，两部分的总线线路都是低电平，而且电压电平相同。
3、一个“高电压”器件下拉到低电平。NMOS管的漏极D一基底二极管将“低电源电压”器件总线被下拉直到Vgs超过阀值，NMOS管开始导通，“低电源电压”器件的总线通过导通的NMOS管被5V的器件进一步下拉到低电平。此时，两部分的总线线路都是低电平，而且电压电平相同。
以上三种状态显示了逻辑电平在总线系统的两个方向传输，与驱动部分无关，1中执行了电平转换功能，2和3按照I2C总线规范在两部分的总线线路之间实现“线与”的功能，即有低出低，双高才高。
实施例二：如图3所示，与实施例一的不同之处在于，第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2的门级G供电电压3.3V直接从右边“低电源电压”的3.3V电源取，即可取消第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及电阻R1、稳压管D1等器件。
实施例三：如图4所示，本电路应用于2V和10V混合逻辑电平的总线的双向转换；NMOS管Q1、Q2的门级G供电电压为2V。

Claims (5)

1、一种混合逻辑电平双向总线转换器，其特征是：包括第一NMOS管(Q1)和第二NMOS管(Q2)，所述第一NMOS管的源极连接低电源电压、低逻辑电平的总线串行数据端，漏极连接高电源电压、高逻辑电平的总线串行数据端，门极连接与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同的电压源；所述第二NMOS管的源极连接低电源电压、低逻辑电平的总线串行时钟端，漏极连接高电源电压、高逻辑电平的总线串行时钟端，门极连接与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同的电压源。
2、如权利要求1所述的双向总线转换器，其特征是：还包括电压源，该电压源的输出电压与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同，供电于所述第一NMOS管、第二NMOS管的门极。
3、一种混合逻辑电平双向总线连接方法，其特征是：在所述电源电压、逻辑电平不同的二部分总线之间，在每条总线线路上连接一个分立的NMOS管，所述NMOS管的源极连接低电源电压、低逻辑电平的总线一端，漏极连接高电源电压、高逻辑电平的总线一端，门极连接与低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压相同的电压源。
4、如权利要求3所述的双向总线连接方法，其特征是：所述双向总线为I2C总线，高电源电压、高逻辑电平的总线的供电电压为5V，低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压为3.3V，所述NMOS管的门极供电电压为3.3V。
5、如权利要求3所述的双向总线连接方法，其特征是：所述双向总线为I2C总线，高电源电压、高逻辑电平的总线的供电电压为10V，低电源电压、低逻辑电平的总线的供电电压为2V，所述NMOS管的门极供电电压为2V。
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