3V和5V的混合系统设计

3v与5v混合系统的接口设计
3V与5V混合系统的接口设计


1. 3V和5V混合系统存在的必要性
近年来，随着便携式数字电子产品的迅速发展，要求使用体积小、功耗低的器件，数
字系统的工作电压已经从5V降到3V甚至更低的2.5V和1.8V。但是目前仍有许多5V电源的
逻辑器件和数字器件可用，有些5V器件暂时还没有3V的器件可以直接代用，因此在许多
设计中出现3V（含3.3V）逻辑系统和5V逻辑系统共存的现象，而且不同的电源电压在同
一块电路板中混用。随着更低电压标准的引进，不同电源电压逻辑器件间的接口问题会
在很长一段时间内存在。

2. 逻辑器件的输入输出电路
为了更好地说明3V和5V混合系统的接口设计，有必要先了解这些逻辑器件的输入输出
电路。

1. 74LS系列器件
图1是与非门74LS00的典型电路，其输入端为四个肖特基势垒二极管（其特点是开启电
压低，大约为0.3～0.4V），因此其输入端能够承受的电压范围较宽。输出端在高电平输
出时，电源电压要通过抗饱和二极管T3和普通二极管T4，所以其高电平输出典型值为3.
5V左右，大负载时可能低至2V，轻负载时可以达到4V以上。74LS系列门电路的阈值电压
比较低，大约为1V左右。

图1 与非门74LS00的电路结构图

2. CD4000系列和74HC系列器件
CD4000系列和74HC系列都是CMOS器件，二者的主要区别是前者的工作电压范围更宽些
，而后者的速度更快些。由于MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，
而绝缘介质又非常薄，耐压仅约100V，极易被击穿，所以输入电路必须采取保护措施。
图2是74HC系列的输入输出电路。其输入端的二极管D1和D2将输入电压限制在-
0.5V～VCC+0.5V范围内。因此在输入端出现瞬时