详解几种CMOS电平转换电路方案

COMS集成电路是互补对称金属氧化物半导体（Compiementary symmetry metal oxide semicoductor）集成电路的英文缩写，电路的许多基本逻辑单元都是用增强型PMOS晶体管和增强型NMOS管按照互补对称形式连接的，静态功耗很小。

　　COMS电路的供电电压VDD范围比较广在+5~+15V均能正常工作，电压波动允许±10，当输出电压高于VDD-0.5V时为逻辑 1，输出电压低于VSS+0.5V（VSS为数字地）为逻辑 0。CMOS电路输出高电平约为 0.9Vcc，而输出低电平约为 0.1Vcc.当输入电压高于VDD-1.5V时为逻辑 1，输入电压低于VSS+1.5V（VSS为数字地）为逻辑 0。

　　TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准威廉希尔官方网站 。

　　标准TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小2.4V，典型值3.4V，输入低电平最大 0.8V，输出低电平最大 0.4V，典型值 0.2V（输入 H》2V，输入 L《0.8V;输出H 》2.4V（3.4V），输出L《0.4V（0.2V）。

　　CMOS电平是数字信号，COMS电路的供电电压VDD范围比较广在+5--+15V均能正常工作，电压波动允许±10，当输出电压高于VDD-0.5V时为逻辑1，输出电压低于VSS+0.5V（VSS为数字地）为逻辑0， 一般数字信号才是0和1 。

　　1、 TTL电路和CMOS电路的逻辑电平

　　VOH： 逻辑电平 1 的输出电压

　　VOL： 逻辑电平 0 的输出电压

　　VIH ： 逻辑电平 1 的输入电压

　　VIH ： 逻辑电平 0 的输入电压

　　TTL电路临界值：

　　VOHmin = 2.4V VOLmax = 0.4V VIHmin = 2.0V VILmax = 0.8V

　　CMOS电路临界值（电源电压为＋5V）

　　VOHmin = 4.99V VOLmax = 0.01V VIHmin = 3.5V VILmax = 1.5V

　　2、TTL和CMOS的逻辑电平转换

　　CMOS电平能驱动TTL电平

　　TTL电平不能驱动CMOS电平，需加上拉电阻。

　　3、用逻辑芯片特点

　　74LS系列： TTL 输入： TTL； 输出：TTL

　　74HC系列：CMOS输入： CMOS； 输出：CMOS

　　74HCT系列： CMOS 输入：TTL； 输出： CMOS

　　CD4000系列： CMOS 输入： CMOS　输出： CMOS。

　　（1） 晶体管+上拉电阻法

　　就是一个双极型三极管或 MOSFET，C/D极接一个上拉电阻到正电源，输入电平很灵活，输出电平大致就是正电源电平。

　　（2） OC/OD 器件+上拉电阻法

　　跟 （1） 类似。适用于器件输出刚好为 OC/OD 的场合。

　　（3） 74xHCT系列芯片升压 （3.3V→5V）

　　凡是输入与 5V TTL 电平兼容的 5V CMOS 器件都可以用作 3.3V→5V 电平转换。

　　——这是由于 3.3V CMOS 的电平刚好和5V TTL电平兼容（巧合），而 CMOS 的输出电平总是接近电源电平的。

　　廉价的选择如 74xHCT（HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/。。。） 系列 （那个字母 T 就表示 TTL 兼容）。

　　（4） 超限输入降压法 （5V→3.3V， 3.3V→1.8V， 。。。）

　　凡是允许输入电平超过电源的逻辑器件，都可以用作降低电平。

　　这里的“超限”是指超过电源，许多较古老的器件都不允许输入电压超过电源，但越来越多的新器件取消了这个限制 （改变了输入级保护电路）。

　　例如，74AHC/VHC 系列芯片，其 datasheets 明确注明“输入电压范围为0~5.5V”，如果采用 3.3V 供电，就可以实现 5V→3.3V 电平转换。

　　（5） 专用电平转换芯片

　　最著名的就是 164245，不仅可以用作升压/降压，而且允许两边电源不同步。这是最通用的电平转换方案，但是也是很昂贵的 （俺前不久买还是￥45/片，虽是零售，也贵的吓人），因此若非必要，最好用前两个方案。

　　（6） 电阻分压法

　　最简单的降低电平的方法。5V电平，经1.6k+3.3k电阻分压，就是3.3V。

　　（7） 限流电阻法

　　如果嫌上面的两个电阻太多，有时还可以只串联一个限流电阻。某些芯片虽然原则上不允许输入电平超过电源，但只要串联一个限流电阻，保证输入保护电流不超过极限（如 74HC 系列为 20mA），仍然是安全的。