自動方向識別式 TXB型電平轉(zhuǎn)換芯片

大家好，這里是大話硬件。

在上一篇文章分析了LSF型的電平轉(zhuǎn)換芯片，LSF型電平轉(zhuǎn)換芯片最常見是應(yīng)用在I2C總線上。I2C為OD型總線，LSF使用時增加電阻。對于不是OD型總線的電平轉(zhuǎn)換，比如UART，SPI，普通GPIO口信號，這些信號在進(jìn)行雙向電平轉(zhuǎn)換使用什么樣的芯片呢？

從上面的圖可以看出，TXB型和TXS型也是雙向自動識別的芯片，這兩個芯片內(nèi)部有差異，外圍電路也有差異。僅僅從兩個芯片所帶負(fù)載的角度分析TXB型的主要用于高速的場合，要求負(fù)載電容小于70pF，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到50Mbps以上。TXS型主要用于低速的場合，負(fù)載電容可以達(dá)到上百pF，數(shù)據(jù)傳輸速率一般在50Mbps以下。

以TXB型的芯片為例來分析這種芯片的工作原理。TXB是德州儀器TI的TXB系列電平轉(zhuǎn)換芯片，NXB是恩智浦NXP的NXB系列電平轉(zhuǎn)換芯片。兩家的芯片內(nèi)部框圖和原理基本是一樣的。下圖是NXP的NXB0104使用時典型的框圖。

從上面的框圖可以看出，NXB型的電平轉(zhuǎn)換芯片在使用時可以不需要上拉電阻。查看芯片內(nèi)部的細(xì)節(jié)，如下圖所示：

從框圖可以看出，芯片內(nèi)部主要有ONE SHOT電路，晶體管T1~T4，電阻4KΩ，以及驅(qū)動電路。ONE SHOT電路是上升沿，下降沿檢測電路，芯片檢測到管腳的電平發(fā)生變化時，ONE SHOT電路會將晶體管打開，這樣做的好處是能加快器件的上升沿和下降沿。如果沒有這個NE SHOT電路，直接使用4KΩ電阻，那么在電平變化時，對負(fù)載管腳電容充電的電流為VCCB/4KΩ，這個電流很小，那么上升沿和下降沿會非常緩，導(dǎo)致器件無法工作在高速的場合。因此，ONE SHOT電路的加入，可以有效增加這種電平轉(zhuǎn)換器件工作在高速的接口上，如SPI接口的電平轉(zhuǎn)換。下圖是A點由低變高的轉(zhuǎn)換過程，從分析過程可以看出，在上升沿變化時，此時動作的器件是晶體管T1，驅(qū)動器，4KΩ電阻以及上端的ONESHOT電路。

下圖是A點由高變低的轉(zhuǎn)換過程，整個動作的過程如下圖所示。在下降沿變化時，此時動作的器件是晶體管T2，驅(qū)動器，4KΩ電阻以及下端的ONE SHOT電路。

針對這個芯片有幾個問題需要進(jìn)一步明確。

ONE SHOT在什么時候工作？

ONE SHOT在工作的時候會檢測信號的高電平和低電平，在電平的5~95%的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行開通和關(guān)閉。在使用帶有ONE SHOT模塊的電路時，在調(diào)試時，需要測試波形的上升沿和下降沿，特別是上沖和下沖電平。因為晶體管打開時，VCCB直接加到端口上，此時等同于電源直接給負(fù)載端的電容充電（忽略T1的導(dǎo)通電阻）。如果整個信號傳輸線上沒有限流電阻，很容易引起過沖或者振鈴出現(xiàn)。

因此，在實際使用時，建議在端口上預(yù)留串阻。串阻不僅能防止出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，還能避免該管腳出現(xiàn)振鈴，在實際電路中驗證，串阻非常有效。

為什么有4KΩ的電阻？

這里4KΩ的電阻，既能在電平高轉(zhuǎn)換時對端口的電壓進(jìn)行上拉，同時能在低電平轉(zhuǎn)換時，進(jìn)行下拉。如果沒有這個4KΩ的電阻，那么ONE SHOT電路在打開后就不能關(guān)閉，因為需要維持著高或低電平。而此時如果想進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，是無法實現(xiàn)的。具體分析見下圖的分析。所以，4KΩ的電阻既可以讓電平保持在高或低，同時也能讓其他管腳進(jìn)行拉低。

芯片外部能接上下拉電阻嗎？

可以接上下拉電阻，但是需要注意上下拉電阻的取值，在芯片手冊中有詳細(xì)的說明，如下所示：

具體原因分析如下：

詳細(xì)的細(xì)節(jié)可以看TI的這篇文檔《Effects ofExternal Pullup andPulldown Resistors onTXS andTXB Devices》，這篇文章詳細(xì)說明了端口的電壓和上下拉電阻的關(guān)系。