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电平标准与接口物理层

为什么需要电平标准

两个芯片通信，需约定: 多高算 "1"？多低算 "0"？驱动能力多大？噪声容限？不匹配 → 通信失败甚至烧芯片。

单端信号

TTL (晶体管-晶体管逻辑)

历史最久的标准 (74 系列)

Vcc: 5V ± 10%
VOH > 2.4V, VOL < 0.4V
VIH > 2.0V, VIL < 0.8V

噪声容限约 0.4V (小!)
输出驱动: 拉电流弱 (~0.4mA), 灌电流强 (~16mA)

正在被 CMOS 替代, 但 3.3V 仍常见

CMOS (互补金属氧化物半导体)

现代主流逻辑电平

Vcc = 5V:
  VOH > Vcc-0.1V, VOL < 0.1V  (几乎轨到轨!)
  VIH > 0.7×Vcc, VIL < 0.3×Vcc

Vcc = 3.3V:
  VIH > 2.0V, VIL < 0.8V

Vcc = 1.8V:
  VIH > 0.65×Vcc, VIL < 0.35×Vcc

噪声容限大 → 抗干扰好
静态功耗极低 (只在切换时耗电)

注意: 3.3V CMOS 输出可驱动 5V TTL 输入 (VIH=2.0V)
      但 5V 输出不能直连 3.3V CMOS 输入 (会烧坏或 latch-up)

差分信号

为什么差分

单端需要地参考信号线 GND 参考 (必须共地)

差分无需地参考正相线反相线 (无 GND 参考!)

差分优势 ✓ 共模噪声抵消两条线干扰相同,差值不变 ✓ 无地回路问题 ✓ 高速传输低摆幅 ✓ EMI 更小正反相电流抵消,对外辐射小

核心:差分两线共模干扰相同,接收端做差即可抵消——无需公共地参考,因此抗干扰强、可高速、低EMI。

LVDS (低压差分信号)

摆幅: ~350mV (差分)
共模电压: ~1.2V
速度: 数百 Mbps ~ 数 Gbps

终端: 100Ω 差分终端电阻
功耗: 极低 (恒流驱动 ~3.5mA)

应用: 显示屏 (FPD-Link), 摄像头 (MIPI D-PHY), 背板

RS-232 — 经典串口

单端, 全双工
逻辑: 1 = -3~-15V, 0 = +3~+15V
      (注意: 负压是 1!)
驱动能力: 长线驱动 (~15m)

电压高, 噪声容限大, 但速度慢 (≤115.2kbps)
电平转换: MAX232 (TTL ↔ RS-232)

DB9 引脚:
  Pin2: RXD (接收)
  Pin3: TXD (发送)
  Pin5: GND

RS-485 — 工业通信主力

差分, 半双工或全双工
摆幅: > 1.5V (差分)
共模范围: -7V ~ +12V (大! 容忍地电位差)

距离: 最长 1200m (低速率)
速率: 最高 ~50Mbps (短距离)
多点: 一条总线上可挂 32~256 个节点

终端: 120Ω 差分终端电阻 (两端各一)

应用: MODBUS, PROFIBUS, DMX512
芯片: MAX485, SN75176

CAN 总线

差分, 多主, 优先级仲裁
显性 (0): CANH-CANL > 0.9V
隐性 (1): CANH-CANL ≈ 0V

速率: 最高 1Mbps (CAN FD 可达 8Mbps)
容错: 极强 (错误检测 + 自动重发 + 故障隔离)

终端: 120Ω 两端各一

应用: 汽车 (OBD-II), 工业控制, 机器人

开漏 / 开集 (Open-Drain / Open-Collector)

          Vpullup
             │
             Rpullup
             │
内部          ├── SDA/信号线
┌────┐        │
│    │───┐   │
│ GPIO│  NMOS │
│    │───┘   │
└────┘        │
             GND

NMOS ON  → 拉低 (驱动能力强)
NMOS OFF → 靠上拉电阻拉高 (驱动能力弱)

应用:
- I2C (多主共享总线)
- 线与 (Wire-AND): 多个开漏输出可直连, 任一拉低总线就低
- 电平转换: 改变 Vpullup 即可改变输出高电平

电平转换

场景

3.3V MCU 连接 5V 外设 — 最常见!
1.8V Sensor 连接 3.3V MCU

方案

1. 电阻分压 (仅降压): 3.3→1.8, 5→3.3
   ──┤├───┬── 简单但上拉弱, 速度慢
          ├── 信号
   ──┤├───┘

2. 专用电平转换芯片:
   TXB0104 (自动方向, 低速)
   TXS0108E (自动方向, 开漏兼容)
   SN74LVC1T45 (方向控制, 高速)

3. MOSFET 方案 (双向, 低速):
         VCC_LOW     VCC_HIGH
            │           │
            Rp          Rp
            │           │
   LOW ─────┤ S    D ├── HIGH
            │  ──┬──  │
            │    │G   │
            │    │    │
           GND  GND  GND

常用电平速查

标准	差/单	摆幅	最高速率	距离	应用
TTL 5V	单端	0~5V	~50MHz	PCB	传统数字
CMOS 3.3V	单端	0~3.3V	~100MHz	PCB	主流数字
CMOS 1.8V	单端	0~1.8V	~200MHz	PCB	低功耗
LVDS	差分	±350mV	Gbps	~10m	显示/高速
RS-232	单端	±12V	115kbps	15m	调试串口
RS-485	差分	>1.5V	50Mbps	1200m	工业
CAN	差分	>0.9V	8Mbps	~1km	汽车
USB 2.0	差分	±400mV	480Mbps	5m	PC外设

关键词: TTL, CMOS, LVDS, 差分信号, 开漏, RS-232, RS-485, CAN, 电平转换