一，單端邏輯電平匹配

單端邏輯電平的匹配是我們平時在硬件設計中最經常碰到的，我們在《TTL&CMOS電平》章節中已經對TTL和COMS電平的匹配設計做了一些分析，一般3.3V LVTTL和LVCMOS是可以直接相互驅動的。但是其它不同邏輯電平之間呢？舉個栗子，3.3V邏輯電平和1.8V邏輯電平之間呢？

【資料圖】

1，門電路電平匹配方案

如下圖所示，利用三極管/MOS管搭建不同電平之間的電路匹配；

如果輸入/輸出側接至CPLD/FPGA等邏輯器件的話，可以只用1個三極管/MOS管來實現電平的轉換，但是此時邏輯上是取“非”的關系，需要在CPLD/FPGA內部再取“非”操作；一般電源模塊（DC-DC，LDO等）的PG或EN信號，如果沒有合適的電平時，適用這種電平轉換方式；由于三極管/MOS管的邏輯電平切換需要時間（開關時間），所以信息傳遞的延時會比較大；

1, 三極管/MOS管本身切換時間比較慢（具體原因分析，請參考《三極管基礎》和《MOS管結構和原理》相關章節）；

2, 三極管/MOS管在B/G極需要達到一定的電壓才能導通三極管/MOS管，而在此電壓之前三極管/MOS管不會有大動作（開關），會造成一定的延時。

對于較低速率信號，如上右圖所示UART數據傳輸，可以通過三極管來實現不同電平的匹配和防掛死；

——對于數據（非電平狀態）的傳輸，需要對三極管相關參數進行設計，保證其在特定傳輸速率下能夠正常工作（信號邊沿時間，占空比，傳輸延時以及三極管/MOS管支持的最大開關頻率等等）。

三極管/MOS管的開啟電壓VBE/VGS(th) 大小，一般情況下SOT23封裝的三極管/MOS管極限開啟電壓（最大值）可能在1V左右，所以如果是電壓在1.0V左右，采用該電平轉換方案存在一定的風險；如左上圖所示結構，如果采用三極管/MOS管來作為電源是否OK的判斷，那么需要確定確定監測門限，來確定對輸入電壓的分壓大小；

——舉個栗子，假如監測2.5V電源是否OK，如果直接輸入至MOS管G極，其開啟電壓：VGS(th)假設為1.0V，那么當2.5V電源電壓上升至1.0V時，我們就認為2.5V這路電源電壓OK了，這是有問題的；需要對2.5V電源電壓進行分壓，比如串聯1KΩ后再下拉1KΩ，進行50%電源電壓的分壓，那么當2.5V電源電壓上升為2.0V時我們才判斷其電源電壓OK。當然這是一種粗略且方便的監測設計。

2，邏輯器件電平匹配方案

如果規模較大的硬件電路，我們往往會CPLD來作單板的管理和信號匯聚功能（具體關于CPLD的設計及功能，后續在《硬件詳細設計流程-CPLD設計》中詳細描述）。我們知道CPLD的I/O管腳有很多個不同的Bank組成，而不同的Bank可以支持不同的供電電源。如下圖所示，為LatticeMachXO2系列CPLD支持的不同單端I/O電源電壓；其支持1.2V~3.3V的多種電平電壓，基本上可以涵蓋了一般硬件電路中所涉及到的電平。

那采用CPLD實現不同邏輯電平之間的轉換，舉個栗子（如下圖所示）：器件A是1.2V邏輯電平需要接到3.3V邏輯電平的器件B，設計CPLD的Bank0可以供1.2V而Bank1供3.3V，那么將器件A的信號接至CPLD的Bank0，而器件B的信號接至CPLD的Bank1；只要在CPLD邏輯內部將器件A和器件B的信號線連在一起，就完美地實現了電平轉換。但在實際硬件設計上有這么完美么？（完美只存在于“理念世界”）

CPLD有VCC和VCCIO兩種電源，VCC電源（Core 電源）和VCCIO電源是否有什么關系呢？

1, VCC電源電壓要求與VCCIO不一樣，如下圖所示（Lattice MachXO2系列CPLD支持的Core 電壓），core電源電壓與VCCIO電源電壓本質上是兩種不同的電源需求；所以兩者可以合用也可以分開來提供，看怎樣簡單；

2, CPLD器件本身的上電時序，一般會要求VCC要先于或同時于VCCIO上電（后續《硬件詳細設計：單板電源分析》詳細介紹），否則可能會導致漏電，即VCCIO漏向VCC。

當單板中有多個器件使用了同樣的電壓，但那些器件由于上電時序的控制要求（或則布局要求，電源本身特殊需求等等），不能同時上電；那么CPLD的VCCIO電源要如何設置呢？

——舉個栗子，器件A的I/O電源電壓是+1.2V，器件B的I/O電源電壓也是+1.2V，但是器件A的I/O電源電壓要早于器件B上電，那么CPLD的VCCIO電源要選哪個呢？

1, 建議CPLD的VCCIO電源選擇最早的那路，因為一些信號（舉個栗子：復位、時鐘等）需要器件上電時就要有明確的狀態輸入，如果CPLD的VCCIO電源較遲上電，那么會導致器件上電和CPLD 的VCCIO上電間隙的狀態不確定；

2, CPLD的VCCIO電源早于器件的I/O電源上電，那么在器件的I/O電源還未上電時，CPLD輸出的信號線上就有高電平輸出到器件I/O管腳上，那么會導致電源電流的倒灌，并產生漏電壓；

——舉個栗子，如下圖所示：P3V3_COM電源先于P3V3_IO上電，當在上電時序間隙，P3V3_COM電源會沿著輸入管腳，通過防護二極管漏導P3V3_IO，使得P3V3_IO電源電壓抬升；但電源電壓被抬升就一定不允許么？1，如果器件資料中明確漏電壓必須小于的電壓值，那么必須嚴格執行；因為器件一旦監測到該路電源超過了某電壓值，就表示開啟了Power On 流程，但實際上漏電流無法支持器件正常工作所需的電流，會導致器件異常（可能需要完全下電后才能恢復）；2，如果器件資料未明確規定漏電壓的大小，建議漏電壓小于0.5V。

我們已經明確了CPLD選擇的VCCIO電源要早或同時于其它器件的上電時序，但是也會引入漏電壓的問題，那如何來解決？

1, 與CPLD相連的信號線上拉電源，均使用器件側I/O電源電壓（而不是CPLD的VCCIO電源），這樣避免了由于上拉電源導致的漏電流（如上圖所示）；

2, CPLD監測單板各路電源的上電狀態，

（1）對于CPLD輸出管腳：在監測到對接器件I/O電源上電之前，輸出保持高阻態，在監測到對接器件I/O電源OK后，輸出正常邏輯狀態；

（2）對于CPLD輸入管腳：保持輸入狀態，在監測到對接器件I/O電源上電之前，不對輸入信號做響應。

3, 特殊信號，舉個栗子：復位信號；器件要求上電之前需要保持低電平，而如果信號外接是通過電阻上拉，則需要特殊處理，以保持滿足器件的要求。

——對不同的信號做不同的處理：由具體的器件、硬件系統以及應用需求所決定，并非有一個絕對的標準可遵循；所以做硬件設計之前，首先需要明確的是產品應用需求，然后分解系統需求，再是硬件需求，然后才是選擇器件，制定硬件設計方案，我們所設計的每個器件、每條走線都是從上述需求中分解下來了的，可以進行驗證和解釋的。

解決了上述漏電壓的問題后，CPLD方案也并非是一個萬能的解決方案；如下圖所示，CPLD內部的傳輸延時會比較大（typ：7ns左右），一般情況下7ns的延時是不會產生影響的，但是對于較高速的總線傳輸來說就會有問題了；此時最好采用專用電平轉換器件（延時：百ps級別）。

——舉個栗子：50MHz的SPI總線通過CPLD進行電平轉換（3.3V—>1.8V），此時的讀時序就會受到非常大的影響，導致讀失敗（關于SPI總線的讀時序，后續《總線設計基礎》詳細分析）。

采用CPLD實現電平轉換的設計，雖然整體看起來有點復雜，但這是系統性解決整板電平匹配最簡潔、方便的方案。同時，CPLD由于較好的過沖防護設計，以及輸出驅動可調等特性，所以在很多應用場合可以省去源端匹配電阻設計，進一步簡化單板硬件設計。如下圖所示。

3，專用器件電平匹配方案

這類器件非常多，有4路、8路、16路等驅動器（舉個栗子：74LVX4245MTCX，SN74LVC16T245等等），只要在對應端口的Vcc電源管腳接上對應的電源電壓即可實現電平轉換；其延時小，無需考慮漏電電壓的問題，對于簡單小數量信號線的電平轉換是非常好的選擇。

除此之外，我們還經常會用到IIC（OD，雙向）的電平轉換器件，這類雙向數據傳輸的電平轉換，如果采用CPLD，實現起來需要比較復雜的邏輯（需識別讀、寫操作），所以使用專用電平轉換器件會方便很多，舉個栗子：PCA9517等。

另外，還有一類是自動識別方向的雙向電平轉換器件，這類器件無需進行方向控制，可以自動識別并進行驅動，舉個栗子：TXS0108EPWR等；其好處是使用方便，缺點是如果信號質量設計有問題（不匹配導致過沖），會使得器件的方向識別錯誤，導致產生信號振蕩。

專用器件來實現電平的轉換，對于局部電路來說更加簡單、方便，也是平時硬件設計中最常用的方法，適合兩個器件之間的多個信號的電平轉換；如果一個電平轉換器件對應多個器件之間的互連，或需要大量使用電平轉換器件，那樣會導致單板面積和器件成本的增加；可以考慮CPLD。

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