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    很多電子系統繼續向更低的電壓信號水平轉移。這個發展潮流背后的動力是對減少功耗的需求。更快的整流速度和降低信號噪聲等方面的進步既方便了設計者，也向他們提出了新的挑戰。

    微處理器在向較低的電壓水平進軍的過程中一馬當先。處理器I/O電壓正從1.8V轉移到1.5V，而內核電壓能夠低于1V。下一代微處理器甚至將采用更低的電壓。外圍設備組件的電壓雖然也在降低，但水平通常落后于處理器一代左右。電壓降低方面的發展不均帶來了系統設計者必須解決的關鍵性難題――如何在信號電平之間進行可靠的轉換。正確的信號電平可以保證系統的可靠工作，它們能夠防止敏感IC因過高或者過低的電壓條件而受損。

圖1蜂窩電話中，處理器和相機IC之間的雙軌裝置

圖2 在處理器和外圍IC之間添加具有OVT功能的收發機。

    信號電平轉換的問題和優點

    未能達到供電電平的輸入/輸出電壓會減少信號噪聲的余量，信號要求精確定時也會引起占空度失真問題。超過最大輸入電平的輸入信號會造成過多的能量消耗，在電池供電的系統中特別不希望出現這種情況。在最壞的情況下，過壓甚至會導致裝置失效，超過最大電平幾百mV的信號就足以損壞一個微處理器。

    鑒于信號采用軌-軌形式而且在大多數情況下采用單個器件，雙軌器件成為最簡單、最可靠、最有效利用空間的轉換方式(圖1)。然而，雙軌轉換器亦有一些常采用的替代辦法，每一種方法都具有各自的優、缺點。

    有時，可能沒有必要采用特殊的轉換電路。當電壓更低的裝置有過壓容限(over-voltage tolerant，OVT)輸入時，就可以選用單向的、由高到低的轉換。此外可以在信號通路中添加一個OVT緩沖器或者總線開關，來提供這一功能。在此種應用中，OVT緩沖器具有簡易、低成本和低功耗的優點。然而，對于雙向轉換而言，低電壓輸出信號必須跨越高電壓輸入的開關門限。缺點包括占空度失真和高電壓側噪聲裕度降低(圖2)。

    對于要求由低向高或者雙向轉換電平的應用，可以將漏極開路緩沖器和外接上拉電阻組合起來使用。利用這種方法，緩沖器以較低電壓工作，通過使用外部上拉電阻把輸出電平設置為高電壓(每路輸出有一個上拉電阻)。雖然能解決雙向和由低到高的轉換問題，但這種做法也增加了元器件的數目、電路板的占用空間、能量消耗，而且常常影響到占空度失真。

    定制的轉換器也能基于分立式的場效應管(FET)來設計。定制設計通過提供精確的比特寬度和所要求的功率而具有靈活的特點；但是定制也增加了器件數量，由于裝配成本上升，系統成本和所需的板上空間也隨之增加。定制還會拖長設計時間，增加了開發進度不能按時完成的危險。

    最可靠方便的選擇是雙軌轉換器，它保證在裝置的兩端都能有正確的輸入/輸出電壓。通過將獨立的電源管腳連接到適當的電源上，可以設定信號電平。于是，轉換器輸入/輸出電平就可以相應的隨著電源電壓而變化。雙軌轉換器消除了設計和成本的難題，提供了一種經過檢驗的、現成的裝置，允許設計者配置元件每一端的輸入/輸出信號，使其恰好變化到所需的電壓上，同時盡量減少需要外加的器件數。由電壓擺動引起的問題，比如沒有達到信號電平，或者超過了額定值，都將由此而消除。

    雙軌轉換系統設計要考慮的問題

    雖然雙軌轉換器提供了最簡單的電壓電平轉換方法，但是其具體實現還存在問題。雙軌轉換器產品的獲得越來越方便，而且品種也越來越多樣。然而，供應商和產品不同，其器件性能指標和功能性就會有所不同。在系統設計中考慮采用轉換器時，必須考慮到器件的工作性能指標。

    對系統時序的影響是需要考慮的主要問題之一。緩沖器給系統增加了傳播延遲，由于它們的復雜性，這個傳播延遲對于雙軌轉換器是重要的，尤其是對較早的工藝，或者當轉換需要跨越一個寬的電壓范圍時。當轉換的幅度低于1.5V時，傳播時間可能超過10 ns。由于速度是重要因素，因此新式的轉換器產品將減少延遲。

    系統設計者需要考慮的另一個參數是輸出驅動。大多數雙軌轉換器以3.3V(24mA)的高壓進行驅動，允許元件被用于要求使用電纜或者線路驅動的應用。然而，一般而言，驅動電流是隨元件的電源電壓降低而成比例減少的，額定電壓為3.3V、輸出驅動為24 mA的元件，在1.9V時可能僅提供6mA的電流。輸出負載和時序預算的設計必須考慮到電源電壓和輸出驅動間的關系。

    對具有雙電源的裝置而言，要考慮的最后一個問題是電源被施加到VCC和控制管腳的順序。轉換器控制管腳由雙電源中的一個電源進行供電，因此，大多數轉換器要求對每個電源和控制管腳的供電要遵循一定的次序。如果電源先施加到輸入/輸出管腳，而后再施加給控制管腳，則有可能導致不可控的振蕩。如果控制管腳首先掉電，相同的問題也會出現。這個不可控狀態的可能結果包括：過大的功耗和系統損壞。因此，上電和掉電的先后次序必須得到嚴格地保證。新型的轉換器產品則讓輸出在兩個電源都達到有效水平之前保持在高阻抗狀態，從而解決了供電次序的問題。

    結語

    雖然還有其它一些可用于雙電源器件信號電平轉換的方法，但它們的使用局限于單向的由高到低轉換，而另外的一些選擇方案要求通過多個分立組件來解決轉換問題。對于空間有限的、由低到高或者雙向轉換的應用，這些方法都不是最好的選擇。利用雙軌轉換器實現設計，就可以保證轉換不出差錯且能防止系統受損。雙電源轉換器能確保兩個端口上的信號達到整個擺幅，消除了電壓高于或者低于電壓限帶來的問題，并且提供了簡單的、節省空間的轉換方法，以滿足任何性能方面的需求。