电平转换电路

7.10 电平转换电路
在数字电路系统中，一般情况下，不同种类器件(如TTL 、CMOS 、HCMOS 等)不能直接相连；电源电压不同的CMOS 、HCMOS 器件因输出电平不同也不能直接相连，这就涉及到电平转换问题。

所幸的是目前单片机应用系统中的MCU 、存储器、μP 监控芯片、I/O 扩展与接口电路芯片等多采用HCMOS 工艺；另一方面74LS 系列数字电路芯片已普遍被74HC 系列芯片所取代。

即数字电路系统中的门电路、触发器、驱动器尽可能采用74HC 系列（或高速的74AHC 系列）芯片、CD40系列或CD45系列的CMOS 器件(速度较HCMOS 系列慢，但功耗比HC 系列芯片低、电源电压范围宽。

当电源电压大于5.5V 时，CMOS 数字逻辑器件就成了唯一可选的数字IC 芯片)，尽量不用74LS 系列芯片(速度与74HC 系列相同，但电源范围限制为5.0V ±5%、功耗大、价格甚至比74HC 系列高)与74系列(在74系列中，只有输出级可承受高压的7406、7407 OC 门电路芯片仍在使用)。

根据CMOS 、HCMOS 芯片输出高低电平特征、输入高低电平范围，在电源电压DD V 相同，且不大于5.5V 情况下，这些芯片能直接相连。

因此，在现代数字电子电路中只需解决不同电源电压CMOS 、HCMOS 器件之间的连接问题。

7.10.1 高压器件驱动低压器件接口电路
高压器件驱动低压器件(如5V 驱动3V 或9V 驱动5V 、3V)时，一般不能直接相连，应根据高压器件输出口结构(漏极开路的OD 门、准双向或CMOS 互补推挽输出)选择相应的接口电路。

对于OD 输出引脚，可采用图7-42(a)所示电路，上拉电阻R 一般取10K ～510K 之间，具体数值与前级输出信号频率有关：输出信号频率高，如1MHz 以上方波信号，R 取小一些；输出信号频率低，R 可取大一些，以减小输出低电平时上拉电阻R 的功耗。

对于CMOS 互补推挽输出、准双向(如MCS-51的P1、P2、P3口)输出，须在两者之间加隔离二极管，如图7-42(b)所示，其中电阻R 选择与图(a)相同，二极管D 可采用小功率开关二极管，如1N4148。

前级输出高电平时,二极管D 截止，后级输入高电平电压IH V 接近电源电压DD V 。

当前级输出低电平时，二极管D 导通，后级输入低电平电压IL V =OL V +D V (二极管导通压降)。

显然IL V <1.0V ，当后级电路为HCMOS 、CMOS 器件时，只要输入级N 沟MOS 的阈值电压TH U >1.0V ，就能正常工作。

图7-42 高压器件驱动低压器件接口电路
对于后级输入端已内置了上拉电阻（如准双向结构的MCS-51 P1～P3口，等效上拉电阻约为30K ），则外置上拉电阻R 可以省略，如图7-42(c)所示。

7.10.2 低压器件驱动高压器件接口电路
低压器件驱动高压器件时，应根据前级输出口电路结构选择图7-43(a)～(g)所示电路作为相应的接口电路。

当前级为OD 输出结构时，如果前级输出高电平OH V >DD V 2
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(后级电源电压的二分之一)，可采用图(a)～(c)所示的接口电路，上拉电阻R 取值原则与图7-42(a)相同。

当处于截止状态的输出管不能承受高压，且两电源电压差小于后级输入高电平电压最小值m in IH V 时，可采用图（a ）所示电路，该电路缺点是后级输入高电平电压IH V =3.5V （前级电源电压DD V 为3.6V ），仅比2.5V 高1.0V ，即输入高电平噪声容限偏小；此外，输入高电平电压OH V 偏小，容易引起后级CMOS 反相器P 沟MOS 管不能可靠截止，漏电流大，仅适用于两电源电压差不大的情形，当两电源电压差较大时，只能采用图(b)所示电路。

反之，当处于截止状态的输出管可以承受高压时(如P89LPC900系列MCU 引脚处于OD 输出状态时），则采用图(c)所示电路，该电路后级输入高电平电平IH V 接近5.0V ，噪声容限高。

(a)
(b) (c)
(d) (e)
(f) (g)
图7-43 低压器件驱动高压器件接口电路
对于CMOS 输出或准双向输出结构，可采用图(d)～(g)电路，其中图(d)也存在类似图(a)的缺点。

7.10.3 非轨对轨运放构成的比较器驱动数字IC 电路
使用非轨对轨运放，如LM324、LM358、MC4558等构成的比较器驱动74HC 数字电路芯片时，要特别留意非轨对轨运放输出高电平电压OH V 不满幅现象(即OH V 达不到电源电压
CC V )。

例如，当电源电压CC V 为5.0V 时，OH V 最大值约为3.5V ；又如当电源电压CC V 为3.3V
时，OH V 最大值约为1.8V 。

因此当运放电源电压CC V 为5.0V 时，可通过1K ～5.1K Ω电阻直接驱动电源电压DD V 为3.3V 的74HC 系列数字IC ，如图7-44(b)所示。

无须二极管隔离，否则会使具有施密特输入特性的74HC 芯片，如74HC14六反相器等无法工作，如图7-44(a)。

而当运放电源电压CC V 与74HC 数字IC 电源电压DD V 均为3.3V ，由于运放输出高电平电压
OH V =1.8V (3.3V-1.5V)远小于DD V ，驱动带施密特输入特性的74HC 芯片外，尚需要外接上
拉电阻，如图7-44(c)所示。

图7-44 由非轨对轨运放构成的比较器驱动74HC 数字电路
7.10.4 利用MCU 的I/O 口电路结构简化接口电路
从不同电源电压器件接口电路可知，作为控制部件核心的MCU 的I/O 口结构如果能根据需要编程选择为OD 输出、CMOS 互补推挽输出、准双向输出、高阻输入、上拉、下拉六种方式之一，则可极大地简化包括电平转化电路在内的外围接口电路的设计，这正是一些新的单片机芯片得到电路设计人员青睐的主要原因之一。

目前一些MCS-51兼容芯片(如Philips 公司的P89LPC76X 系列、P89LPC900系列，Atmel 公司的A T89LPC213、214、216芯片，Winbond 公司的W79E82X 系列，宏晶公司STC12C54XX 、英飞凌的XC886等)、PIC 系列及其兼容的8位MCU 芯片、绝大部分32位MCU 芯片等均支持I/O 口重定义功能。

例如，当需要驱动不同电源电压时，令MCU 输出引脚处于OD 输出方式，可直接与具有内置上拉电阻的器件(如处于准双向的MCS-51 I/O 引脚)或借助外接上拉电阻与高阻输入方式的器件，如CMOS 或HCMOS 数字电路相连。

又如采用互补CMOS 输出方式的I/O 口，做矩阵键盘行、列线时，对于输入引脚需外接上拉电阻；对于输出扫描引脚需外接防止电流倒灌的二极管。

如能重新定义，将输入引脚选择上拉输入(如STM8S 系列芯片以及大部分的ARM 芯片)或准双输入/输出方式(如MCS-51兼容芯片)；将输出引脚定义为OD 方式(如STM8S 系列芯片以及大部分的ARM 芯片)或准双向输入/输出方式，就可以省去上拉电阻和保护二极管。

当需要驱动大的拉电流负载时，准双向输入/输出结构可能会遇到驱动能力不足，需要外加缓冲器、驱动器或上拉电阻，这种情况下，就有必要选择互补CMOS 输出结构。