為什么會有這么多電平標(biāo)準(zhǔn)？

電平標(biāo)準(zhǔn)的多樣性主要源于以下幾個(gè)原因：

1. 歷史和兼容性： 不同國家和地區(qū)在不同歷史時(shí)期制定了各自的電平標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)反映了當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和需求。隨著時(shí)間的推移，為了保持兼容性和延續(xù)性，許多舊的標(biāo)準(zhǔn)被保留下來并與新的標(biāo)準(zhǔn)共存。

2. 應(yīng)用需求： 不同的應(yīng)用場景對電平有不同的要求。例如，工業(yè)控制系統(tǒng)、音頻設(shè)備、通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對信號電平的要求各不相同，導(dǎo)致了各種專門化的電平標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)。

3. 技術(shù)限制： 不同的技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中有其自身的限制和最佳操作條件。例如，早期的電子設(shè)備和現(xiàn)代數(shù)字設(shè)備對電平的要求和處理能力差別很大，這導(dǎo)致了不同的電平標(biāo)準(zhǔn)。

4. 標(biāo)準(zhǔn)化組織： 世界上存在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織，如國際電工委員會（IEC）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ANSI）等，它們根據(jù)各自的區(qū)域和行業(yè)需求制定標(biāo)準(zhǔn)。這些組織有時(shí)會制定不同的電平標(biāo)準(zhǔn)，以滿足特定地區(qū)或行業(yè)的需求。

5. 安全性和可靠性： 不同的應(yīng)用對安全性和可靠性的要求不同。例如，電力系統(tǒng)需要非常嚴(yán)格的電平標(biāo)準(zhǔn)來保證安全，而消費(fèi)電子產(chǎn)品可能更注重成本和易用性，因此在電平標(biāo)準(zhǔn)上會有所不同。

6. 信號速率和半導(dǎo)體工藝的發(fā)展： 隨著信號處理和傳輸速率的不斷提高，半導(dǎo)體工藝也在不斷進(jìn)步。這種進(jìn)步導(dǎo)致了信號擺幅（即電壓擺幅）的不斷減小，以適應(yīng)更高的速率和更小的工藝節(jié)點(diǎn)。例如，在現(xiàn)代高速內(nèi)存接口如DDR（雙倍數(shù)據(jù)速率）技術(shù)中，電壓標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從最早的DDR的2.5V降到DDR4的1.2V，甚至更低的DDR5的1.1V。這種變化主要有以下幾個(gè)原因：

邏輯電平的一些概念

要了解邏輯電平的內(nèi)容，首先要知道以下幾個(gè)概念的含義：

1：輸入高電平（VIH）：保證邏輯門的輸入為高電平時(shí)所允許的最小輸入高電平，當(dāng)輸入電平高于 VIH 時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為高電平。

2：輸入低電平（VIL）：保證邏輯門的輸入為低電平時(shí)所允許的最大輸入低電平，當(dāng)輸入電平低于 VIL 時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為低電平。

3：輸出高電平（VOH）：保證邏輯門的輸出為高電平時(shí)的輸出電平的最小值，邏輯門的輸出為高電平時(shí)的電平值都必須大于此 VOH。

4：輸出低電平（VOL）：保證邏輯門的輸出為低電平時(shí)的輸出電平的最大值，邏輯門的輸出為低電平時(shí)的電平值都必須小于此 VOL。

5：閾值電平(VT)：數(shù)字電路芯片都存在一個(gè)閾值電平，就是電路剛剛勉強(qiáng)能翻轉(zhuǎn)時(shí)的電平。它是一個(gè)界于 VIL、VIH 之間的電壓值，對于 CMOS 電路的閾值電平，基本上是二分之一的電源電壓值，但要保證穩(wěn)定的輸出，則必須要求輸入高電平> VIH，輸入低電平<VIL，而如果輸入電平在閾值上下，也就是 VIL～VIH 這個(gè)區(qū)域，電路的輸出會處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

對于一般的邏輯電平，以上參數(shù)的關(guān)系如下：
VOH > VIH > VT > VIL > VOL。
6：IOH：邏輯門輸出為高電平時(shí)的負(fù)載電流（為拉電流）。
7：IOL：邏輯門輸出為低電平時(shí)的負(fù)載電流（為灌電流）。
8：IIH：邏輯門輸入為高電平時(shí)的電流（為灌電流）。
9：IIL：邏輯門輸入為低電平時(shí)的電流（為拉電流）。

扇出能力也就是輸出驅(qū)動(dòng)能力，通常用驅(qū)動(dòng)同類器件的數(shù)量來衡量。
TTL：扇出能力一般在 10 左右。
CMOS：靜態(tài)時(shí)扇出能力達(dá) 1000 以上，但 CMOS 的交流（動(dòng)態(tài)）扇出能力沒有這樣高，要根據(jù)工作頻率和負(fù)載電容來考慮決定。

限制因素是輸入信號上升時(shí)間：本身輸出

電阻和下級輸入電容形成積分電路影響輸入信號的上升時(shí)間（輸入信號從低電平上升到VIH min 所需時(shí)間），實(shí)際電路當(dāng)中，盡量使被驅(qū)動(dòng)輸入端限制在 10 以內(nèi)。

ECL：由于 ECL 的工作速度高，考慮到負(fù)載電容的影響， ECL 的扇出一般限制在10 以內(nèi)。
門電路輸出極在集成單元內(nèi)不接負(fù)載電阻而直接引出作為輸出端，這種形式的門稱為開路門。開路的 TTL、 CMOS、 ECL 門分別稱為集電極開路（ OC）、漏極開路
（ OD）、發(fā)射極開路（ OE），使用時(shí)應(yīng)審查是否接上拉電阻（ OC、 OD 門）或下拉電阻
（ OE 門），以及電阻阻值是否合適。對于集電極開路（ OC）門，其上拉電阻阻值 RL 應(yīng)
滿足下面條件：
（ 1）：RL < （ VCC－VOH） /（ n*IOH＋m*IIH）
（ 2）：RL > （ VCC－VOL） /（ IOL＋m*IIL）
其中 n：線與的開路門數(shù)；m：被驅(qū)動(dòng)的輸入端數(shù)。
1.2：常用的邏輯電平

邏輯電平：有 TTL、 CMOS、 ECL、 PECL、 GTL；RS232、 RS422、 LVDS 等。

其中 TTL 和 CMOS 的邏輯電平按典型電壓可分為四類： 5V 系列（ 5V TTL 和 5VCMOS）、 3.3V 系列， 2.5V 系列和 1.8V 系列。

5V TTL 和 5V CMOS 邏輯電平是通用的邏輯電平。
3.3V 及以下的邏輯電平被稱為低電壓邏輯電平，常用的為 LVTTL 電平。低電壓的邏輯電平還有 2.5V 和 1.8V 兩種。
ECL/PECL 和 LVDS 是差分輸入輸出。
RS-422/485 和 RS-232 是串口的接口標(biāo)準(zhǔn)， RS-422/485 是差分輸入輸出， RS-232是單端輸入輸。

以下是一些常見的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)特性：

1. TTL (Transistor-Transistor Logic):

• 邏輯低（Low）：0V - 0.8V

• 邏輯高（High）：2V - 5V

• 電壓范圍：

• 供電電壓： 通常為5V

• 特點(diǎn)： 廣泛用于早期數(shù)字電路，易于使用，但功耗相對較高。

• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor):

• 邏輯低（Low）：0V - 1/3 Vcc

• 邏輯高（High）：2/3 Vcc - Vcc

• 電壓范圍：

• 供電電壓： 3.3V、5V，現(xiàn)代設(shè)備中也有1.8V、1.2V等

• 特點(diǎn)： 功耗低，輸入阻抗高，適用于低功耗設(shè)計(jì)。

• LVTTL (Low Voltage TTL):

• 邏輯低（Low）：0V - 0.4V

• 邏輯高（High）：2V - 3.3V

• 電壓范圍：

• 供電電壓： 3.3V

• 特點(diǎn)： TTL的低電壓版本，功耗較低。

• LVCMOS (Low Voltage CMOS):

• 邏輯低（Low）：0V - 0.2 Vcc

• 邏輯高（High）：0.8 Vcc - Vcc

• 電壓范圍：

• 供電電壓： 1.8V、2.5V、3.3V等

• 特點(diǎn)： 更低功耗，適用于現(xiàn)代低電壓應(yīng)用。

• ECL (Emitter-Coupled Logic):

• 邏輯低（Low）：-1.8V

• 邏輯高（High）：-0.8V

• 電壓范圍：

• 供電電壓： -5.2V

• 特點(diǎn)： 非常高的速度，但功耗較大，多用于高速應(yīng)用。

• PECL (Positive Emitter-Coupled Logic):

• 邏輯低（Low）：Vcc - 1.7V

• 邏輯高（High）：Vcc - 1.0V

• 電壓范圍：

• 供電電壓： +5V或+3.3V

• 特點(diǎn)： ECL的正電源版本，高速，較高功耗。

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling):

• 邏輯低（Low）：電壓差 < 0V

• 邏輯高（High）：電壓差 > 0V

• 電壓范圍：

• 供電電壓： 3.3V，1.8V等

• 特點(diǎn)： 差分信號，低電壓擺幅，低功耗，高速，抗干擾能力強(qiáng)。P

  
  

• PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于計(jì)算機(jī)和服務(wù)器中連接外圍設(shè)備。PCIe使用了以下幾種電平標(biāo)準(zhǔn)：

• LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）：

• 電平標(biāo)準(zhǔn)：PCIe采用LVDS來傳輸高速數(shù)據(jù)。LVDS使用差分信號來減少電磁干擾（EMI）和串?dāng)_，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

• 電壓范圍：差分電壓擺幅通常在250mV到450mV之間，這使得信號更加穩(wěn)定和抗干擾。

• CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）：

• 電平標(biāo)準(zhǔn)：PCIe接口的控制信號和管理信號通常采用CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)。

• 電壓范圍：這些信號的電壓范圍通常為1.2V、1.8V或3.3V，具體取決于使用的CMOS工藝節(jié)點(diǎn)。

• HSTL (High-Speed Transceiver Logic):

• 邏輯低（Low）：0V - 0.35V

• 邏輯高（High）：0.65V - Vcc

• 電壓范圍：

• 供電電壓： 1.5V、1.8V等

• 特點(diǎn)： 用于高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于DDR存儲器接口。

• SSTL (Stub Series Terminated Logic):

• 邏輯低（Low）：0V - 0.2Vcc

• 邏輯高（High）：0.8Vcc - Vcc

• 電壓范圍：

• 供電電壓： 1.8V、2.5V、3.3V等

• 特點(diǎn)： 用于高速存儲器，如DDR SDRAM。

  
  




1.3開路門




門電路輸出極在集成單元內(nèi)不接負(fù)載電阻而直接引出作為輸出端，這種形式的門稱為開路門。開路的TTL、CMOS、ECL門分別稱為集電極開路（OC）、漏極開路（OD）、發(fā)射極開路（OE），使用時(shí)應(yīng)審查是否接上拉電阻（OC、OD門）或下拉電阻（OE門），以及電阻阻值是否合適。對于集電極開路（OC）門，其上拉電阻阻值RL應(yīng)滿足下面條件：
（1）：RL < （VCC－Voh）/（n*Ioh＋m*Iih） 拉電流盡可能大
（2）：RL > （VCC－Vol） /（Iol＋m*Iil） 灌電流盡可能小

其中n：線與的開路門數(shù)；m：被驅(qū)動(dòng)的輸入端數(shù)。