I/O端口的電壓等級詳解

1. 電壓等級概述

數(shù)字設(shè)備需要在規(guī)定的電壓等級下才能進(jìn)行的正常信號(hào)采集和生成操作。數(shù)字I/O設(shè)備的電壓等級定義了設(shè)備如何確定有效的邏輯狀態(tài)（邏輯高電平或邏輯低電平）。電壓等級的定義根據(jù)設(shè)備是單端還是差分而所有不同。

2. 單端數(shù)字I/O電壓等級

對于單端數(shù)字信號(hào)而言，電壓等級通常是指驅(qū)動(dòng)高電平信號(hào)或驅(qū)動(dòng)低電平信號(hào)時(shí)輸出端的電壓；以及為了識(shí)別高電平或低電平時(shí)輸入端所需的電壓。通常情況下，單端電壓電平定義如下：

輸出高電平(VOH) - 如果針對主動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸出進(jìn)行配置，該電平是指數(shù)字量輸出IO在輸出邏輯1時(shí)在輸出端上產(chǎn)生的電壓值；如果針對集電極開路輸出進(jìn)行配置，輸出高電平相當(dāng)于將數(shù)據(jù)通道置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。
輸出低電平(VOL) — 數(shù)字量輸出IO輸出邏輯0時(shí)在輸出端口上產(chǎn)生的電壓值。
輸入高電平 (VIH) — 數(shù)字量輸入IO判定輸入為邏輯1時(shí)，輸入端上需要出現(xiàn)的最小電壓值；
輸入低電平 (VIL) — 數(shù)字量輸入IO判定輸入為邏輯0時(shí)，輸入端上需要出現(xiàn)的最大電壓值。

將數(shù)字模塊連接至待測設(shè)備時(shí)(DUT)，必須保證接口的電壓等級是兼容的。單端電壓等級和DUT電壓等級之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1. 單端數(shù)字電壓等級關(guān)系

為了與DUT正確通信，數(shù)字設(shè)備的配置必須滿足如下條件：

· 輸出高電平 ≥ DUT VIH
· 輸出低電平 ≤ DUT VIL
· 輸入高電平 ≤ DUT VOH
· 輸入低電平 ≥ DUT VOL
· 輸入高電平 > 輸入低電平

電源提供的電壓等級與終端所需的電壓等級之間的裕度稱為噪聲容限(noise immunity margin, NIM)。

NIM代表連接線纜能正常識(shí)別數(shù)字信號(hào)所能允許的最大噪聲幅度。總NIM的計(jì)算公式如下：

抑制外部噪聲源影響的一種方法是使用屏蔽信號(hào)線。但是，如果系統(tǒng)在噪聲嚴(yán)重的環(huán)境下工作，無法正確識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)，則應(yīng)盡可能提高NIM。

查看數(shù)字I/O邏輯產(chǎn)品家族教程，了解單端數(shù)字I/O信號(hào)的不同分類。

3. 差分?jǐn)?shù)字I/O電壓等級

與單端信號(hào)不同的是，差分信號(hào)是兩個(gè)等幅反相信號(hào)同時(shí)傳輸。區(qū)別于一個(gè)導(dǎo)體以地為基準(zhǔn)的做法，差分信號(hào)是兩個(gè)導(dǎo)體互為基準(zhǔn)來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字驅(qū)動(dòng)器仍與單端信號(hào)一樣提供兩個(gè)電壓。但是接收器根據(jù)兩個(gè)信號(hào)之間電壓差解讀信號(hào) - 而不是基于接地基準(zhǔn)。如果差分?jǐn)?shù)字信號(hào)解讀為邏輯0，信號(hào)的電平必須比另一個(gè)信號(hào)的電平至少低特定值（圖2所示的VTH）。 VTH是變化的，由特定邏輯系列決定。由于導(dǎo)體互為基準(zhǔn)且同時(shí)發(fā)送信號(hào)，因而信號(hào)具有更高的抗噪性能。這樣可提供的一個(gè)好處就是大幅減小信號(hào)擺幅，使得可以用更快的速率和更小的功耗在更遠(yuǎn)的距離傳輸數(shù)據(jù)。

由于差分信號(hào)中正信號(hào)以負(fù)信號(hào)為基準(zhǔn)，兩個(gè)導(dǎo)體之間存在一定差分阻抗，電壓等級通常是從差分的角度而不是絕對的角度進(jìn)行定義。例如，差分負(fù)載阻抗為100Ω的LVDS傳輸對的絕對電壓等級可能是正極導(dǎo)體的VOH 為1.4V，負(fù)極導(dǎo)體的VOL為1.1V。那么差分電壓就是這兩個(gè)電壓的差值 - 300 mV(圖2中所示的VOD) 但是，信號(hào)存在共模成分（圖2中所示的 VOS），該成分在大部分差分規(guī)范中都有規(guī)定，稱為共模電壓。

通常情況下，差分電壓電平定義如下：

差分輸出電壓(VOD)—差分傳輸中正負(fù)導(dǎo)體之間的電壓差。該電壓可視為兩個(gè)導(dǎo)體的電壓差。

失調(diào)電壓(VOS)—差分信號(hào)的共模電壓。該電壓可視為兩個(gè)導(dǎo)體的平均電壓。

閾值電壓(VTH)—接收器識(shí)別有效邏輯狀態(tài)時(shí)的差分電壓閾值。

輸入電壓范圍(VRANGE)—接收器可允許的絕對電壓，也稱為共模電壓。

將數(shù)字I/O模塊連接至待測設(shè)備時(shí)(DUT)，必須保證接口的電壓等級是兼容的。差分設(shè)備的電壓等級和DUT電壓等級之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2. 差分?jǐn)?shù)字電壓等級關(guān)系

電源驅(qū)動(dòng)的電壓等級與終端所需的電壓等級之間的裕度稱為噪聲容限(noise immunity margin, NIM)。 NIM代表連接線纜能正常識(shí)別數(shù)字信號(hào)所能允許的最大噪聲幅度。總NIM的計(jì)算公式如下：
NIM = [min (|輸出 VOD - DUT VTH| , |DUT VOD - 輸入 VTH|)]

查看數(shù)字I/O邏輯產(chǎn)品家族教程，了解差分?jǐn)?shù)字I/O信號(hào)的不同分類。