级联电路中通讯电平的转换电路的制作方法

1.本实用新型涉及级联通讯技术领域，具体涉及适用于低压差电平转换产品中的通讯电平转换电路。


背景技术：

2.在传统的通讯中，不同的i/o电平通讯时需要电平适配，为了适配不同ic的vih(voltage input high，输入高电平)、vil(voltage input low，输入低电平)，不同电平的信号中间需要增加电平转换电路。
3.对于低速信号，及高低电平转换模式的信号，有采用电阻分压限流的方法实现电平转换，也有使用二极管钳位电压来实现电平转换。这两种方法的局限性在于：电阻分压有固定的漏电流，可能会对芯片造成伤害；二极管由于钳位电压的不同，以及对温度的敏感性，不能在精度要求高的场合下应用。
4.除了以上方法，传统的方法还有用mos管做电平转换电路，以及采用专门的电平转换ic来实现电平转换。
5.用mos管做电平转换电路如图1所示，mos管的s端口(源极)和d端口(漏极)分别接input(reset_n_in)和output(reset_n_in_mcu)，a点为低电平输入时，mos管q18导通，b点输出低电平；当a点输入为高电平时，mos管q18截止，b点被电阻r1378拉高至输出高电平。该方案可以低成本实现电平转换，但存在如下缺陷：信号转变过程中参考地的选择是基于前一级信号的输入信号的地来参考的，如果前一级信号的参考地距离后一级信号的输入端比较远，中间的路径和阻抗比较大，那么信号经过晶体管后会对信号转换的地有个电平差，这个电平差如果转换双方的电平较高且速率不高的情况下，对信号的转换质量影响不大；但在电平转换电压较低且信号转换速率较高的情况下，对信号的转换时间、地电平的宽度等都会造成较大的影响，尤其对级别较多的信号进行多次转换后，信号的衰减会影响到信号的占空比，从而造成信号的通讯异常。
6.传统的芯片(ic)电平转换方案原理如图2所示，由power a，power b两端电平供电，转换输入/输出信号为电平信号a和b。传统电平转换ic一方面受到两端转换电平a和b的限制(常规多应用在1.8v和3.3v电平之间转换)，非常规电平转换(如1.2v及以下电平)市面上目前暂时没有，另外一方面电平转换ic价格比较高，且对转换信号的速率有限制。基于传统芯片的gpio(general-purpose input/output)的电平一般都是1.8v或3.3v，传统的电平转换ic最低电压为1.8v，但随着低功耗技术的发展，越来越多的芯片采用1.2v甚至更低的工作电压，对于低电平转换信号的需求越来越多，对于1.8v以下的电平状态转换，传统的电平转换ic无法实现，且对于1mhz以上的高速率的信号一般难于实现信号的电平无损转换，尤其对串联较多的信号进行多次转换后，对信号传输中的每级衰减都会叠加，串联级别较多时最后级别输出的信号衰减会比较严重，最后会影响到信号的占空比，从而造成信号的通讯异常。


技术实现要素：

7.鉴于此，本实用新型提出了级联电路中通讯电平的转换电路，采用双开关管工作的方案，解决传统ic转换的电平高低有限制且转换速率受限的问题，以及传统单mos转换方案两端地电平接地信号拉不低的问题。
8.为解决上述问题，本实用新型提出以下技术方案：
9.一种级联电路中通讯电平的转换电路，被配置为能连接于级联的第一电路与第二电路之间，以将所述第一电路输出的第一低电平转换为适配所述第二电路的第二低电平，或者将所述第一电路输出的第一高电平转换为适配所述第二电路的第二高电平；所述转换电路包括第一开关管和第二开关管，且具有第一信号端和第二信号端，当所述第一信号端输入所述第一低电平时，所述第一开关管截止，所述第二开关管导通，所述第二信号端输出所述第二低电平；当所述第一信号端输入所述第一高电平时，所述第一开关管导通，所述第二开关管截止，所述第二信号端输出所述第二高电平。
10.进一步地，所述第一开关管和所述第二开关管均为mos管，分别记为第一mos管和第二mos管；所述第一mos管的第一端为所述第一信号端，第二端通过第一电阻连接至第一参考地，第三端通过第二电阻连接至第一电源；所述第二mos管的第一端连接所述第一mos管的第三端，所述第二mos管的第二端连接第二参考地，所述第二mos管的第三端通过第三电阻连接至第二电源，所述第二信号端由所述第二mos管的第三端引出。
11.进一步地，所述第二电源的电压高于所述第一电源的电压，二者之间具有第一压差；所述第一压差为逐渐变化的，从开始工作时0.6v逐渐升高到稳定压降为0.8v。
12.进一步地，所述第二参考地的电压高于所述第一参考地的电压，二者之间具有第二压差。
13.进一步地，所述第二压差为逐渐变化的，从开始工作时0.6v逐渐升高到稳定压降为0.8v。
14.进一步地，所述第一mos管和所述第二mos管均为nmos，所述第一mos管和所述第二mos管的第一端为栅极、第二端为源极、第三端为漏极。
15.进一步地，所述第一开关管和所述第二开关管均为三极管，分别记为第一三极管和第二三极管；所述第一信号端通过第四电阻连接于所述第一三极管的第一端，所述第一三极管的第二端接地，所述第一三极管的第三端通过第五电阻连接至第三电源；所述第二三极管的第一端连接所述第一三极管的第三端，所述第二三极管的第二端接地，所述第二三极管的第三端通过第六电阻连接至第四电源，所述第二信号端由所述第二三极管的第三端引出。
16.进一步地，所述第一三极管和所述第二三极管均为npn型三极管，所述第一三极管和所述第二三极管的第一端为基极、第二端为发射极、第三端为集电极。
17.进一步地，所述第三电源为vcc1v8，所述第四电源为vcc3v3。
18.进一步地，还包括连接于所述第二信号端的rc电路。
19.与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果体现在：一方面可以解决传统ic转换电平高低限制要求，以及转换速率的限制，另外也可以解决传统方案单mos作为电平转换时两端地电平接地信号拉不低的问题，可以比较好地实现转换速率，转换电平的结合，尤其是对低电压信号的转换具有特别好的效果。
附图说明
20.图1是现有单mos管电平转换电路原理图。
21.图2是传统的ic电平转转电路示意图。
22.图3和图4是本实用新型实施例1提出的利用双mos管实现级联电路中通讯电平转换的转换电路原理图。
23.图5是本实用新型实施例2提出的利用双三级管实现级联电路中通讯电平转换的转换电路原理图。
24.图6是本实用新型实施例3提出的另一种利用双mos管实现级联电路中通讯电平转换的转换电路原理图。
25.图7是级联电路电源走向方框图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步说明。提供实施例的目的仅在于示意，而非予以任何限制。
27.本实用新型技术方案主要解决级联电路中高速串行信号不同电平之间信号的转换，以确保上下级电路之间通讯电平的一致性。为此，本实用新型具体实施方式提出一种级联电路中通讯电平的转换电路，该转换电路可连接于级联的第一电路与第二电路之间(第一电路比如是上级电路，第二电路比如是相邻的下级电路)，用以将第一电路输出的第一低电平转换为适配第二电路的第二低电平，或者将第一电路输出的第一高电平转换为适配第二电路的第二高电平。该转换电路包括第一开关管和第二开关管，且具有第一信号端和第二信号端，当所述第一信号端输入所述第一低电平时，所述第一开关管截止，所述第二开关管导通，所述第二信号端输出所述第二低电平；当所述第一信号端输入所述第一高电平时，所述第一开关管导通，所述第二开关管截止，所述第二信号端输出所述第二高电平。第一开关管和第二开关管可以是mos管，也可以是三极管，还可以是其它具有等同效应的开关管。
28.基于传统芯片的gpio(general-purpose input/output)的电平一般都是1.8v或3.3v，传统的电平转换ic最低电压为1.8v，但随着低功耗技术的发展，越来越多的芯片采用1.2v甚至更低的工作电压，对于低电平转换信号的需求越来越多，对于1.8v以下的电平转换，传统的电平转换ic无法实现，且对于1mhz以上的高速率信号一般难以实现信号的电平无损转换，尤其对串联级数较多的信号进行多次转换后，对信号传输中的每级衰减都会叠加，串联级别较多时最后级别输出的信号衰减会比较严重，最后会影响到信号的占空比，从而造成信号的通讯异常。
29.传统不用电平转换ic的方案也有采用单mos管转换的方案，如图1，两端上拉电阻r13413、r1378分别接上双方电平转换电压vcc1v8、vcc3v3，这样可以比较低成本的实现双方电平转换。但这个方案，信号转变过程中参考地的选择是基于前一级信号的输入信号的地来参考的，如果前一级信号的参考地距离后一级信号的输入端比较远，中间的路径和阻抗比较大，这种方案信号经过mos管q18后会对信号转换的地产生衰减，导致电平差，如果转换双方的电平较高且速率不高的情况下，则这个电平差对信号的转换质量影响不大；但如果在电平转换电压较低且信号转换速率较高的情况下，这个电平差对信号的转换时间，地电平的宽度等都会造成较大的影响。
30.基于此，本实用新型实施例1提出了一种采用双mos管实现的电平转换电路，来进行级联电路间通讯电平的转换，一方面可以解决低压信号电平转换所存在的上述问题，另外可以利用mos管导通时阻抗特别小的特性，实现转换后信号再通过mos管和系统地的导通，从而改善信号从前一级输出经过转换后到下一级输入信号之间参考接地衰减的问题，进而解决单mos管转换方案参考接地不准的问题。由于mos管导通时阻抗特别小，可以把单mos管电平转换方案的低电平0.25v拉低至0.020v，从而可以更有效避免vcc电压比较低时，输出低电平(0.3*vcc)易受干扰的情况。同样道理，本实用新型也可以实现高电平更接近电源电压，可以比较完美地实现低压高速信号的完整的电平转换。
31.本实用新型实施例1提出的利用双mos管实现级联电路中通讯电平转换的转换电路，其示例性的原理图如图3和图4所示，采用两个mos管q1和q2来实现，在该实施例中，mos管q1和q2均为nmos。参考图3或图4，mos管q1的g端(栅极)作为该转换电路的第一信号端tp8，用于接收来自上级电路输出的电平信号signal_s0，mos管q1的s端(源极)通过电阻r22连接至第一参考地gnd_s0，d端(漏极)通过电阻r15连接至第一电源vddio_1v2_s0；mos管q2的g端连接mos管q1的d端，mos管q2的s端连接第二参考地gnd_s1，mos管q2的d端通过电阻r16连接至第二电源vddio_1v2_s1，第二信号端tp5由mos管q2的d端引出，用于向下级电路输出转换后的电平signal_s1。
32.参考图3，当第一信号端tp8输入的信号signal_s0为低电平时，mos管q1的g端为低电平，mos管q1的vgs＝0，此时mos管q1截止，tp4被上拉电阻r15上拉至高电平vddio_1v2_s0，此时mos管q2的g端为高电平，q2的vgs＝vddio_1v2_s1，q2导通，由于q2的导通，使得tp5被q2下拉至低电平gnd_s1，从而实现tp8输入信号与tp5输出信号的电平同步转换。
33.参考图4，当第一信号端tp8输入的信号signal_s0为高电平时，mos管q1的g端为高电平，此时mos管q1导通，tp4被q1下拉至低电平gnd_s0，此时mos管q2的g端为低电平gnd_s0，由于q2的s端接的参考地gnd_s1比gnd_s0电压要高，因此此时q2截止，使得tp5被上拉电阻r16拉至高电平vddio_1v2_s1，从而实现tp8输入信号与tp5输出信号的电平同步转换。
34.对于系统中1.2v电平信号，信号速率在5mhz-10mhz的频率下，低电平信号要求低于0.3v以下，尤其对级别较多的信号进行多次转换后，由于mos管导通时管结电容的存在，mos管导通、截止时会对信号的高低电平宽度有衰减，信号的衰减会影响到信号的占空比，从而经过多级信号传输后，信号的高低电平的宽度也会逐渐衰减变窄，从而降低到一定程度时会造成信号的通讯异常。而本实用新型实施例1的双mos管方案，由于mos导通时阻抗特别小，可以把单mos电平转换低电平0.25v拉低到0.020v，从而可以更有效避免vcc电压比较低时，输出低电平(0.3*vcc)易受干扰的情况。
35.在本实用新型实施例1中，第二电源vddio_1v2_s1的电压高于第一电源vddio_1v2_s0的电压，二者差值为逐渐变化的，从刚开始工作时0.6v逐渐升高到稳定压降为0.8v。第二参考地gnd_s1的电压高于第一参考地gnd_s0的电压，同样，压差也是逐渐变化的，从开始工作时的0.6v逐渐升高到稳定压降为0.8v。
36.此外，本实用新型实施例2还提供了一种采用双三极管实现级联电路通讯电平转换的方案。参考图5，为实施例2的转换电路示意图。该转换电路利用两个三极管q3和q4来实现，具体而言，采用两个npn三极管来实现，其中三极管q3的第1端(基极)连接一个电阻r11，该电阻r11的另一端作为该转换电路的第一信号端，记为a，用于接收来自上级电路的信号
作为输入。三极管q3的第2端(发射极)接地，第3端(集电极)通过电阻r12连接至电源vcc1v8。三极管q4的第1端(基极)连接三极管q3的第3端，三极管q4的第2端(发射极)接地，三极管q4的第3端(集电极)通过电阻r13连接至电源vcc3v3，并由三极管q4的第3端引出第二信号端b，用于向下级电路输出转换后的电平信号。
37.继续参考图5，当a点为低电平时，三极管q3的ube(基极与发射极压差)小于0.7v，ub《uc，三极管q3截止，c点位置由电阻r12上拉至vcc1v8，此时三极管q4的ube大于0.7v，ub》uc，三极管q4导通，b点位置由于q4导通而被钳制在q4的vce(集电极与发射极压差)，由于vce很低，b点“接近”接地而输出低电平。当a点为高电平时，三极管q3的ube大于0.7v，ub》uc，三极管q3导通，c点位置由q3拉低至地，此时三极管q4的ube小于0.7v，ub《uc，三极管q4截止，b点位置由于q4截止而被r13拉高到vcc3v3，b点输出高电平。从而，实现了输入a与输出b的电平同步转换。
38.本实用新型实施例2使用双三极管实现电平转换的优势在于：
39.1)低成本：三极管更常见并且容易采购，价格低廉；
40.2)驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十ma；
41.3)漏电流低：in和out两者之间的漏电流较小(ua级别)，几乎可以忽略不计。
42.此外，为了更好地拓展前述实施例1转换电路的应用场景，可对电路中各个电阻进行优化，如图6，通过调节电阻r15、r22以及r16的阻值大小，可以改变mos管的开通时间，从而改变信号传输中上升沿和下降沿的时间，电阻值越小，信号转换时间越短，信号波形越陡峭，信号的完整性越好。
43.再者，为了更好地调整和改善系统信号的衰减以及干扰等因素的影响，本实用新型实施例3对实施例1的转换方案进行了优化，在转换电路中增加rc电路，可以通过调节电阻r16和电容c2的大小，目前默认采用r16(0r)、c2(nc)，来对信号进行的有效的补偿和优化。如图6，rc电路连接在第二信号端tp5的后端。
44.综上，本实用新型实施例的转换电路可以解决多级级联电路中通讯电平不匹配的问题。传统的电平转换ic不但价格高，且实现电平转换的最低电压为1.8v，对于1.2v及以下电平状态转换，且对于高速率的信号，传统方法难于实现信号的电平无损转换，尤其是转换电路两端电压不断变化的过程，且对串联级别较多的信号进行多次转换后，对信号的衰减会影响到信号的占空比，从而造成信号的通讯异常。而本实用新型实施例的电平转换电路主要应用在产品中的级联电路中，用于串口信号的传输，由于信号在级联的不同芯片之间通讯时属于一种串行关系，本级电路的电源和地，与其上、下级电路的电源和地的关系也属于一种串行关系，见图7。本实用新型实施例的电平转换电路可以在这样的级联电路中对通讯电平进行无损转换。
45.本实用新型实施例的转换电路可以实现低压高速信号的电平转换。以实施例1的双mos转换电路为例，可以实现25级100颗芯片组之间串联通讯的信号转换，系统在从启动到正常工作过程中，相邻两级芯片组之间的电压是从0.6v逐渐升级到0.8v，在这个过程中，1.2v的uart信号，如果不采用电平转换电路的话，不同级间的芯片信号难以识别信号vih，vil和voh和vol电平之间的适配。而在相邻两级芯片之间加入本实用新型的转换电路，可以实现不同级别芯片电压动态变化过程中的电平信号的转换，解决各级芯片的高(低)电平适配问题。在不同电压情况下的高速率转换，且信号的无损转换效率和响应速度很高，能够满
足多级别信号传输。
46.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种级联电路中通讯电平的转换电路，其特征在于：被配置为能连接于级联的第一电路与第二电路之间，以将所述第一电路输出的第一低电平转换为适配所述第二电路的第二低电平，或者将所述第一电路输出的第一高电平转换为适配所述第二电路的第二高电平；所述转换电路包括第一开关管和第二开关管，且具有第一信号端和第二信号端，当所述第一信号端输入所述第一低电平时，所述第一开关管截止，所述第二开关管导通，所述第二信号端输出所述第二低电平；当所述第一信号端输入所述第一高电平时，所述第一开关管导通，所述第二开关管截止，所述第二信号端输出所述第二高电平。2.如权利要求1所述的转换电路，其特征在于：所述第一开关管和所述第二开关管均为mos管，分别记为第一mos管(q1)和第二mos管(q2)；所述第一mos管的第一端为所述第一信号端，第二端通过第一电阻(r22)连接至第一参考地(gnd_s0)，第三端通过第二电阻(r15)连接至第一电源(vddio_1v2_s0)；所述第二mos管的第一端连接所述第一mos管的第三端，所述第二mos管的第二端连接第二参考地(gnd_s1)，所述第二mos管的第三端通过第三电阻(r16)连接至第二电源(vddio_1v2_s1)，所述第二信号端由所述第二mos管的第三端引出。3.如权利要求2所述的转换电路，其特征在于：所述第二电源的电压高于所述第一电源的电压，二者之间具有第一压差；所述第一压差为逐渐变化的，从开始工作时0.6v逐渐升高到稳定压降为0.8v。4.如权利要求2所述的转换电路，其特征在于：所述第二参考地的电压高于所述第一参考地的电压，二者之间具有第二压差。5.如权利要求4所述的转换电路，其特征在于：所述第二压差为逐渐变化的，从开始工作时0.6v逐渐升高到稳定压降为0.8v。6.如权利要求2所述的转换电路，其特征在于：所述第一mos管和所述第二mos管均为nmos，所述第一mos管和所述第二mos管的第一端为栅极、第二端为源极、第三端为漏极。7.如权利要求1所述的转换电路，其特征在于：所述第一开关管和所述第二开关管均为三极管，分别记为第一三极管和第二三极管；所述第一信号端通过第四电阻连接于所述第一三极管的第一端，所述第一三极管的第二端接地，所述第一三极管的第三端通过第五电阻连接至第三电源；所述第二三极管的第一端连接所述第一三极管的第三端，所述第二三极管的第二端接地，所述第二三极管的第三端通过第六电阻连接至第四电源，所述第二信号端由所述第二三极管的第三端引出。8.如权利要求7所述的转换电路，其特征在于：所述第一三极管和所述第二三极管均为npn型三极管，所述第一三极管和所述第二三极管的第一端为基极、第二端为发射极、第三端为集电极。9.如权利要求7所述的转换电路，其特征在于：所述第三电源为vcc1v8，所述第四电源为vcc3v3。10.如权利要求1所述的转换电路，其特征在于：还包括连接于所述第二信号端的rc电路。

技术总结
本实用新型公开了一种级联电路中通讯电平的转换电路，被配置为能连接于级联的第一电路与第二电路之间，以将所述第一电路输出的第一低电平转换为适配所述第二电路的第二低电平，或者将所述第一电路输出的第一高电平转换为适配所述第二电路的第二高电平；所述转换电路包括第一开关管和第二开关管，且具有第一信号端和第二信号端，当所述第一信号端输入所述第一低电平时，所述第一开关管截止，所述第二开关管导通，所述第二信号端输出所述第二低电平；当所述第一信号端输入所述第一高电平时，所述第一开关管导通，所述第二开关管截止，所述第二信号端输出所述第二高电平。述第二信号端输出所述第二高电平。述第二信号端输出所述第二高电平。


技术研发人员：宗圣旗 余松 丁国华
受保护的技术使用者：深圳三诺信息科技有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/10/20