10 (Для лаб по платам), страница 2

Разница только вверхней границе допустимого диапазона для сигнала высокого уровня.5aСТАНДАРТЫ ЛОГИЧЕСКИХ ПОРОГОВДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЦИФРОВЫХ ИСНАПРЯЖЕНИЕ,В4.0IIOI = ВХОДO = ВЫХОДO3.3 В LVTTL3.53.0I2.5 В VCX2.5 В JEDECO2.5I2.0OIO2.5 В JEDEC выход(-1 мА)4.55 В ТТЛ2.5 В JEDEC вход5.05 В КМОП5V1.51.02.5 В VCX выход(-12 мА)2.5 В VCX вход3.3 В LVTTL выход(-2 мА)3.3 В LVTTL вход5 В ТТЛ выход(-2 мА)5 В ТТЛ вход5 В КМОП вход05 В КМОП выход(20 мкА)0.5Рис. 10.4Международное бюро стандартов JEDEC ввело стандарт для ИС, работающих принапряжении питания 2.5 В (JEDEC стандарт 8-5), который, скорее всего, будетпредставлять собой минимум требований для работы с VDD = 2.5 В (Приложение 3).Однако на сегодняшний день (2000 г.) отсутствует доминирующий стандарт для ИС на2.5 В, т.к. немного производителей выпускает микросхемы, работающие при этомнапряжении питания.

Существует стандарт на 2.5 В, предложенный консорциумомпроизводителей ИС под названием Альянс Низковольтной Логики (Low Voltage LogicAlliance). Спецификация стандарта описывает характеристики ИС, работающих принапряжении от 1.8 В до 3.6 В. Стандарт для работы в данном диапазоне напряженияпитания весьма полезен, т.к. он обеспечивает совместимость сегодняшних разработок сбудущими. Например, микросхема 74VCX164245, представляющая собой шинныйпреобразователь/приемопередатчик производства Fairchild Semiconductor, спроектированадля работы при любом напряжении в пределах 1.8 – 3.6 В и имеет различные входные ивыходные характеристики, зависящие от напряжения питания VDD. Этот стандарт,называемый VCX, был разработан фирмами Motorola, Toshiba и Fairchild Semiconductor.

Внем описаны прежде всего шинные приемопередатчики, преобразователи, буферы FIFO идругие микросхемы сопряжения. Кроме того, существует широкий диапазон другихнизковольтных стандартов, таких как GTL (Gunning Transceiver Logic), BTL (BackplaneTransceiver Logic) и PECL (PceudoECL Logic). Однако большинство из этих стандартовсозданы для применения в специализированных областях, а не в полупроводниковыхсистемах общего назначения.Устройства VCX могут работать в очень широком диапазоне напряжений питания (1.8 –3.6 В). Характеристики входов и выходов в данном стандарте зависят от напряженияпитания VDD и от нагрузки на каждом выходе. На рис.10.4 показана диаграмма для входови выходов устройства VCX, работающего при напряжении питания 2.5 В.

Выходныенапряжения устройства, приведенные на диаграмме, всегда соответствуют определенному6aтоку. При возрастании требований по току выходное напряжение высокого уровняуменьшается, тогда как выходное напряжение низкого уровня возрастает. За болееподробной информацией по характеристикам ИС обращайтесь к спецификациямтехнических характеристик.С помощью приведенной диаграммы можно проиллюстрировать некоторые возможныепроблемы, возникающие при соединении двух ИС, работающих в различных стандартах.Например, соединение 5-вольтовой микросхемы КМОП с микросхемой LVTTL,работающей при напряжении VDD = 3.3 В.

Высокий логический уровень на выходе 5вольтовой КМОП слишком высок (>3.3 В), чтобы подавать этот сигнал на вход ИСLVTTL. Это может привести к необратимому повреждению микросхемы LVTTL.Возможна другая проблема: пусть микросхема типа JEDEC с напряжением питания 2.5 Вуправляет устройством КМОП с VDD = 5 В. Высокий логический уровень на выходе 2.5вольтового устройства недостаточно высок для того, чтобы восприниматься как"высокий" входом микросхемы КМОП с напряжением питания 5 В (VIH MIN = 3.5 В). Этипримеры показывают два возможных типа несовместимости логических семейств: либоустройство управляется слишком высоким напряжением, либо устройство необеспечивает достаточно высокое напряжение, которое достоверно распознавалось быпринимающей ИС как сигнал высокого логического уровня. Эти проблемы совместимостиподводят нас к двум понятиям: устойчивость к повышенному напряжениюи совместимость по напряжению.УСТОЙЧИВОСТЬ К ПОВЫШЕННОМУ НАПРЯЖЕНИЮИ СОВМЕСТИМОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮУстройство, устойчивое к повышенному напряжению, может выдержать на входе иливыходе напряжение более высокое, чем его собственное напряжение питания VDD.Например, если устройство работает при VDD = 2.5 В, может выдержать на входенапряжение в 3.3 В и может выдержать 3.3 В на выходе, 2.5 В устройство являетсяустойчивым к напряжению 3.3 В.

Значение понятия "устойчивость к напряжению навходе" достаточно очевидно, но понятие "устойчивости к напряжению на выходе" требуетнекоторого объяснения. Выход драйвера микросхемы КМОП с VDD = 2.5 В в состояниивысокого логического уровня представляет собой резистор c небольшим сопротивлением(RON транзистора PMOS), связанный с шиной питания VDD 2.5 В. Очевидно, что связь еговыхода напрямую с шиной 3.3 В приведет к разрушению устройства избыточным током.Однако если 2.5-вольтовая микросхема имеет выход с тремя состояниями и подключена кшине, которая одновременно управляется 3.3-вольтовыми микросхемами, тогда этопонятие становится ясным. Даже если 2.5-вольтовая ИС находится в выключенномсостоянии (третье состояние), 3.3-вольтовые микросхемы могут подавать на шинунапряжение, превышающее 2.5 В, и возможно, повреждать выход 2.5-вольтовоймикросхемы.Устройство, совместимое по напряжению, может принять сигнал и передать сигналустройству, которое работает при напряжении более высоком, чем его собственное VDD.Например, если устройство работает при VDD = 2.5 В и может передавать и получатьсигналы к/от 3.3-вольтового устройства, тогда говорят, что данное 2.5-вольтовоеустройство совместимо по напряжению с 3.3-вольтовыми.Интерфейс между микросхемой КМОП с напряжением питания 5 В и микросхемойLVTTL с напряжением питания 3.3 В – это случай, когда устойчивость к повышенномунапряжению отсутствует; вход микросхемы LVTTL перегружен выходным сигналомКМОП микросхемы с напряжением питания VDD = 5 В.

Интерфейс между микросхемами2.5-вольтовой JEDEC и 5-вольтовой КМОП иллюстрирует случай отсутствия7aсовместимости по напряжению; выходной сигнал высокого уровня на выходе ИС JEDECне соответствует требованиям к уровню входного сигнала 5-вольтовой КМОПмикросхемы.ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОНЯТИЙ УСТОЙЧИВОСТИК ПОВЫШЕННОМУ НАПРЯЖЕНИЮ И СОВМЕСТИМОСТИПО НАПРЯЖЕНИЮ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМУстойчивость к повышенному напряжению:Микросхема, устойчивая к повышенному напряжению,может выдержать на своих входных и выходныхвыводах напряжение более высокое, чем еесобственное напряжение питания VDD.

Если ИСработает при VDD = 2.5 В и может выдержатьнапряжение 3.3 В±10% на входе, то эта 2.5-вольтоваямикросхема является устойчивой к напряжению 3.3 Вна входе. Устойчивость на входе и на выходе должнатестироваться и оговариваться в спецификацииотдельно.Совместимость по напряжению:Микросхема, совместимая по напряжению, можетпередавать и принимать сигналы к/от логики, котораяработает при напряжении более высоком, чем еесобственное напряжение питания VDD. Если устройствоработает при VDD = 2.5 В и может нормально передаватьи принимать сигналы к/от 3.3-вольтовой логики, тоданная 2.5-вольтовая микросхема являетсясовместимой с логикой, работающей при напряжениипитания 3.3 В. Совместимость по входу и по выходудолжна тестироваться и оговариваться вспецификации отдельно.Рис. 10.5СОЕДИНЕНИЕ 5-ВОЛЬТОВОЙ И 3.3-ВОЛЬТОВОЙ ЛОГИКИ СПОМОЩЬЮ ШИННЫХ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХПри соединении между собой микросхем, работающих при разных напряжениях питания,часто возникает необходимость в дополнительных дискретных компонентах для того,чтобы обеспечить устойчивость к повышенному напряжению и совместимость понапряжению.

Например, для того, чтобы получить устойчивость к напряжению междулогическими микросхемами, работающими при VDD равном 5 В и 3.3 В, используетсяшинный переключатель-преобразователь напряжения, или QuickSwitchTM (Приложение4,5). Данный шинный переключатель ограничивает напряжение, прикладываемое к ИС.Это делается для того, чтобы входное напряжение не превысило допустимое, к которомуполучающее устройство устойчиво.8aНапример, можно поместить шинный переключатель между 5-вольтовой КМОП-логикойи 3.3-вольтовой LVTTL-логикой, и после этого устройства смогут нормальнообмениваться данными, как показано на рис. 10.6.

Этот шинный переключательпредставляет собой МОП-транзистор с каналом n-типа (NMOS FET). Если на затвортранзистора подано напряжение 4.3 В, то максимальная величина напряженияпроходящего сигнала составит 3.3 В (примерно на 1 В меньше, чем напряжение на затвореМОП-транзистора). Если напряжение на входе и на выходе не превышает 3.3 В, МОПтранзистор представляет собой небольшое сопротивление (RON = 5 Ом). Когда входнойсигнал достигает величины 3.3 В, сопротивление МОП-транзистора возрастает,ограничивая таким образом уровень сигнала на выходе. QuickSwitch содержит 10двунаправленных МОП-транзистора с возможностью управлять напряжением на затворе,как показано на рис.

10.6. Напряжение VCC QuickSwitch определяет уровень сигнала,управляющего затвором.Один из путей получения напряжения питания 4.3 В на системной плате, где имеются 5 Ви 3.3 В, является включение диода между шиной питания 5 В и выводом VCC наQuickSwitch. На схеме на рис. 10.6 напряжение 4.3 В генерируется кремниевым диодом идиодом Шотки, соединенными последовательно и подключенными к шине питания 3.3 В.Этот метод позволяет получить более стабильное напряжение смещения на затворе сучетом допустимости 10% разброса напряжений питания 5 В и 3.3 В. Некоторые шинныепереключатели спроектированы для подключения непосредственно либо к шине 3.3 В,либо к 5 В, и напряжение смещения на затворе генерируется внутри данных ИС.Применение QuickSwitch избавляет от беспокойства по поводу устойчивости микросхемпри проектировании устройств с разными типами логики.

Одним из полезных свойствшинных переключателей является их двунаправленность; это позволяет проектировщикупоместить шинный преобразователь между двумя ИС и обойтись без дополнительнойобвязки для входных и выходных сигналов.9aДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ИНТЕРФЕЙС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕММОП-ТРАНЗИСТОРА МЕЖДУ 3.3 В И 5 В ЛОГИКОЙОБЕСПЕЧИВАЕТ УСТОЙЧИВОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮШИНА +3.3 Воколо1ВШИНА +5 В+4.3 ВSiЛОГИКА3.3 В±10%470 кОмШоткидиоды0.1 мкФМОП-транзистор(NMOS FET)ЛОГИКА5 В±10%RON = 5 Ом"1" = ЗАПРЕТ"0" = РАЗРЕШЕНИЕ0 В / VCCQS3384 QuickSwitch ®10 КАНАЛОВ В КОРПУСЕДЛЯ QS3384 РАБОЧЕЕНАПРЯЖЕНИЕ VCC = +4,3 вРис. 10.6Шинный переключатель увеличивает суммарную рассеиваемую мощность, а такжеобщую площадь, занимаемую компонентами системы.