自动方向识别式 TXB型电平转换芯片

2023-08-14 10:32:08来源:互联网

大家好,这里是大话硬件。


【资料图】

在上一篇文章分析了LSF型的电平转换芯片,LSF型电平转换芯片最常见是应用在I2C总线上。I2C为OD型总线,LSF使用时增加电阻。对于不是OD型总线的电平转换,比如UART,SPI,普通GPIO口信号,这些信号在进行双向电平转换使用什么样的芯片呢?

从上面的图可以看出,TXB型和TXS型也是双向自动识别的芯片,这两个芯片内部有差异,外围电路也有差异。仅仅从两个芯片所带负载的角度分析TXB型的主要用于高速的场合,要求负载电容小于70pF,数据传输速率可达到50Mbps以上。TXS型主要用于低速的场合,负载电容可以达到上百pF,数据传输速率一般在50Mbps以下。

以TXB型的芯片为例来分析这种芯片的工作原理。TXB是德州仪器TI的TXB系列电平转换芯片,NXB是恩智浦NXP的NXB系列电平转换芯片。两家的芯片内部框图和原理基本是一样的。下图是NXP的NXB0104使用时典型的框图。

从上面的框图可以看出,NXB型的电平转换芯片在使用时可以不需要上拉电阻。查看芯片内部的细节,如下图所示:

从框图可以看出,芯片内部主要有ONE SHOT电路,晶体管T1~T4,电阻4KΩ,以及驱动电路。ONE SHOT电路是上升沿,下降沿检测电路,芯片检测到管脚的电平发生变化时,ONE SHOT电路会将晶体管打开,这样做的好处是能加快器件的上升沿和下降沿。如果没有这个NE SHOT电路,直接使用4KΩ电阻,那么在电平变化时,对负载管脚电容充电的电流为VCCB/4KΩ,这个电流很小,那么上升沿和下降沿会非常缓,导致器件无法工作在高速的场合。因此,ONE SHOT电路的加入,可以有效增加这种电平转换器件工作在高速的接口上,如SPI接口的电平转换。下图是A点由低变高的转换过程,从分析过程可以看出,在上升沿变化时,此时动作的器件是晶体管T1,驱动器,4KΩ电阻以及上端的ONESHOT电路。

下图是A点由高变低的转换过程,整个动作的过程如下图所示。在下降沿变化时,此时动作的器件是晶体管T2,驱动器,4KΩ电阻以及下端的ONE SHOT电路。

针对这个芯片有几个问题需要进一步明确。

ONE SHOT在什么时候工作?

ONE SHOT在工作的时候会检测信号的高电平和低电平,在电平的5~95%的区间内进行开通和关闭。在使用带有ONE SHOT模块的电路时,在调试时,需要测试波形的上升沿和下降沿,特别是上冲和下冲电平。因为晶体管打开时,VCCB直接加到端口上,此时等同于电源直接给负载端的电容充电(忽略T1的导通电阻)。如果整个信号传输线上没有限流电阻,很容易引起过冲或者振铃出现。

因此,在实际使用时,建议在端口上预留串阻。串阻不仅能防止出现过冲现象,还能避免该管脚出现振铃,在实际电路中验证,串阻非常有效。

为什么有4KΩ的电阻?

这里4KΩ的电阻,既能在电平高转换时对端口的电压进行上拉,同时能在低电平转换时,进行下拉。如果没有这个4KΩ的电阻,那么ONE SHOT电路在打开后就不能关闭,因为需要维持着高或低电平。而此时如果想进行电平转换,是无法实现的。具体分析见下图的分析。所以,4KΩ的电阻既可以让电平保持在高或低,同时也能让其他管脚进行拉低。

芯片外部能接上下拉电阻吗?

可以接上下拉电阻,但是需要注意上下拉电阻的取值,在芯片手册中有详细的说明,如下所示:

具体原因分析如下:

详细的细节可以看TI的这篇文档《Effects ofExternal Pullup andPulldown Resistors onTXS andTXB Devices》,这篇文章详细说明了端口的电压和上下拉电阻的关系。

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