自动方向识别式 TXB型电平转换芯片

硬件笔记本 · 发表于 2024-3-18 08:30:00

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？

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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。

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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：

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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。

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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。

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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。

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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。

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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：

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具体原因分析如下：

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