專欄作家
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電路中的7種常見介面類型
2022-04-20 1127

我們知道,電路系統各子模組之間的資料交換可能會出現一些問題,這可能導致訊號無法正常、高品質地「流通」。例如,有時電路各子模組的工作順序不同(如CPU和周邊)或其訊號類型不同(如感測器偵測光訊號)。這時我們就應該考慮透過對應的介面方法來好好處理這個問題。


以下對電路設計中常用的七種介面類型要點進行說明:


(1)TTL電平介面:


這種接口類型基本上是陳腔濫調,對吧?由於在大學學習類比電路和數位電路,TTL電平介面就離不開通用電路設計。其速度一般限制在30MHz,這是因為BJT的輸入端有幾個pF輸入電容(形成LPF)。如果輸入訊號超過一定頻率,訊號就會「遺失」。其驅動能力一般可達數十毫安。一般情況下,正常訊號電壓較高。如果靠近訊號電壓較低的ECL電路,會造成明顯的串擾問題。

(2)CMOS級介面:


我們對此並不陌生,也常與之打交道。一些有關 CMOS 的半導體特性無需在此贅述。很多人都知道,一般情況下,CMOS的功耗和抗干擾能力遠遠優於TTL。但!鮮為人知的是,在高開關頻率下,CMOS 系列實際上比 TTL 消耗更多電力。至於為什麼會這樣,請問半導體物理理論。


由於目前CMOS的工作電壓可以很小,有些FPGA核甚至工作在接近1.5V的電壓下,這使得電平間的雜訊容限遠小於TTL,加劇了電壓波動所造成的訊號判斷誤差。眾所周知,CMOS電路的輸入阻抗非常高。因此,其耦合電容可以很小,而不需要使用大的電解電容。


由於CMOS電路通常驅動能力較弱,因此在驅動ECL電路之前必須進行TTL轉換。另外,設計CMOS介面電路時,請注意避免容性負載過重,否則會減慢上升時間,增加驅動元件的功耗(因為容性負載不消耗功率)。


(3)ECL級介面:


這是電腦系統的老朋友了!因為它的速度「跑」得夠快,甚至可以跑到幾百MHz!這是因為ECL內部的BJT在導通時不會飽和,這樣就可以減少BJT的開通和關斷時間,工作速度自然就可以提高。


但是,這是要付出代價的!它的致命傷害:功耗高!其帶來的EMI值得考慮,抗干擾能力也好不到哪裡去。如果有人能兼顧這兩個因素,那麼他(她)就應該發大財。另外要注意的是,一般ECL積體電路需要負電源,也就是說其輸出電壓為負,因此需要專門的電平移位電路。


(4)RS-232電平介面:


沒有人不了解電子技術的基礎知識(除非他或她只是電子技術的「門外漢」)。它是一種低速串行通訊介面標準。要注意的是,它的電平標準有點「不正常」:高電平為-12V,而低電平為+12V。所以,當我們試圖透過電腦與週邊裝置進行通訊時,電平轉換晶片MAX232自然是不可或缺的。但我們也必須看到它的缺點,例如資料傳輸速度慢、傳輸距離短等。

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(5)差分平衡電平介面:


它用一對端子A和B的相對輸出電壓(uA-uB)來表示訊號。一般這種差分訊號在訊號傳輸過程中會經過複雜的雜訊環境,導致兩根線上的雜訊量基本上相同,而雜訊的能量會在接收端被抵消,因此可以實現遠距離、低雜訊的傳輸。高速傳輸。工業上常用的RS-485介面採用差分傳輸方式,具有良好的抗共模幹擾能力。


(6)光隔離介面:


光電耦合以光訊號為介質,實現電訊號的耦合與傳輸。它的「優點」是可以實現電氣隔離,因此具有優異的抗干擾能力。在高工作頻率的情況下,只有高速光電隔離介面電路才能滿足資料傳輸的需求。


有時,為了實現高電壓、大電流的控制,必須設計和使用光隔離介面電路來連接這些如上所述的低電平、小電流的TTL或CMOS電路,因為輸入環路和輸出環路光隔離接口可以承受幾千伏特的高電壓,對於一般應用來說已經足夠了。


另外,光隔離介面的輸入部分和輸出部分必須分別採用獨立的電源,否則仍會有電氣連接,不稱為隔離。


(7)線圈耦合介面:


其電氣隔離特性良好,但允許的訊號頻寬有限。例如變壓器耦合,它的電力傳輸效率非常高,它的輸出功率基本上接近它的輸入功率。因此,對於升壓變壓器來說,它可以有較高的輸出電壓,但只能給出較低的電流。


另外,變壓器的高頻和低頻特性也不樂觀,但其最大的特點是可以實現阻抗變換。當匹配得當時,負載可以獲得足夠的功率。因此,變壓器的耦合介面在功放電路的設計中非常流行。






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