电路设计中常用的接口及关键点

TTL 电平接口#

TTL 电平接口速度一般限制在 30MHz 以内。因为 BJT 的输入端存在几 pF 大小的输入电容(构成一个 LPF),如果输入信号超过一定频率,信号将会丢失。 其驱动能力一般最大为几十毫安。正常工作的信号电压一般较高,如果将它与信号电压较低的 ECL 电路接近时,会产生比较明显的串扰问题。

CMOS 电平接口#

正常情况下,CMOS 的功耗和抗干扰能力远优于 TTL。但是在高转换频率时,CMOS 系列实际上却比 TTL 消耗更多的功率。

由于 CMOS 的工作电压目前已经可以很小了,有的 FPGA 内核工作电压甚至接近 1.5V,这样就使得电平之间的噪声容限比 TTL 小了很多,因此,由于电压波动而引发的信号判断错误会更加严重。

CMOS 电路的输入阻抗是很高的,因此,它的耦合电容容量可以很小,不需要使用大的电解电容器。由于 CMOS 电路通常驱动能力较弱,所以必须先进行 TTL 转换后再驱动 ECL 电路。此外,设计 CMOS 接口电路时,要注意避免容性负载过重,否则的话会使得上升时间变慢,而且驱动器件的功耗也将增加 (因为容性负载并不耗费功率)。

ECL 电平接口#

ECL 电平接口可以跑到几百 MHz, 这是由于 ECL 内部的 BJT 在导通时并没有处于饱和状态,这样就可以减少 BJT 的导通和截止时间,工作速度自然也就可以提上去了。

速度快的代价是功耗较大,引发的 EMI 问题也就值得考虑了,抗干扰能力也就好不到哪去了。还有要注意的是,一般 ECL 集成电路是需要负电源供电的,也就是说它的输出电压为负值,这时就需要专门的电平移动电路了。

RS-232 电平接口#

RS-232 电平接口是低速串行通信接口标准,要注意的是,它的电平标准有点 “反常”:高电平为 - 12V,而低电平为 + 12V。

当我们试图通过计算机与外设进行通信时,需要电平转换芯片 MAX232. 它的一些缺点是,数据传输速度还是比较慢、传输距离也较短等。

差分平衡电平接口#

它是用一对接线端 A 和 B 的相对输出电压 (uA-uB) 来表示信号的,一般情况下,这个差分信号会在信号传输时经过一个复杂的噪声环境,导致两根线上都产生基本上相同数量的噪声,而在接收端将会把噪声的能量给抵消掉,因此它能够实现较远距离、较高速率的传输。工业上常用的 RS-485 接口采用的就是差分传输方式,它具有很好的抗共模干扰能力。

光隔离接口#

光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的,它的好处是能够实现电气隔离,因此它有出色的抗干扰能力。在电路工作频率很高的条件下,基本只有高速的光电隔离接口电路才能满足数据传输的需要。

有时为了实现高电压和大电流的控制,我们必须设计和使用光隔离接口电路来连接如上所述的这些低电平、小电流的 TTL 或 CMOS 电路,因为光隔离接口的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏特的高压,足以满足一般的应用了。

此外,光隔离接口的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源,否则的话如果还是有电气联系,就不叫隔离了。

线圈耦合接口#

它的电气隔离特性好,但是允许的信号带宽有限。例如变压器耦合,它的功率传输效率是非常高的,输出功率基本接近其输入功率,因此,对于一个升压变压器来说,它可以有较高的输出电压,但是却只能给出较低的电流。

此外,变压器的高频和低频特性并不让人乐观,但是它的最大特点就是可以实现阻抗变换,当匹配得当时,负载可以获得足够大的功率,因此,变压器耦合接口在功率放大电路设计中很吃香。

参考与致谢#



文章作者:Power Lin
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