模拟开关的“另类”应用，构建逻辑门和电平转换器的实用方法

只看该作者 · 2023-11-19 12:22

本帖最后由 Litthins 于 2023-11-19 12:19 编辑

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单芯片构建缓冲器/反相器/与门/或门/开漏输出/三态输出、实现1.8V至5V多档电平互转？本文从模拟开关的基本结构入手，介绍二选一模拟开关做简单逻辑门和电平转换器的实用方法，展示模拟开关信号切换以外的多样应用。

一、简单结构，构建丰富逻辑功能
考虑二选一模拟开关的基本结构，若CH0、CH1通道信号与SEL端控制信号同为高低逻辑电平，则二选一模拟开关可看作具有三路电平输入、一路电平输出的电子器件。输出状态由三路输入信号共同决定，其中必然存在逻辑关系。那么，使用模拟开关可以构建哪些逻辑电路？

根据输入端处理方式的不同，二选一模拟开关可构造缓冲器、反相器、与门、或门、开漏输出和三态输出等逻辑电路。下文给出这些电路的电气连接、真值表和等效逻辑符号。
缓冲器·Buffer
将CH0、CH1分别连接至GND和VCC，使CH0=“L”，CH1=“H”；
此时输出电平总与SEL引脚电平一致，得到强驱动推挽输出的缓冲器。

反相器·Inverter
将CH0、CH1分别连接至VCC和GND，使CH0=“H”，CH1=“L”；
此时输出电平总与SEL引脚电平相反，得到强驱动推挽输出的反相器。

与门·AND
将CH0连接至GND，使CH0=“L”；
此时输出电平为CH1、SEL相与，得到与门。

若将CH1连接至GND，使CH1=“L”；
此时输出电平为SEL先取反，再和CH0相与，即先非再与。

或门·OR
将CH1连接至VCC，使CH1=“H”；
此时输出电平为CH0、SEL相或，得到或门。

若将CH0连接至VCC，使CH0=“H”；
此时输出电平为SEL先取反，再和CH1相或，即先非再或。

开漏输出的缓冲器/反相器·BUF_OD/INV_OD
CH0连接至GND，CH1悬空，可得开漏输出的缓冲器；
CH1连接至GND，CH0悬空，可得开漏输出的反向器。

低使能/高使能三态输出·TLBUF/THBUF
若CH1悬空，可得低使能三态输出门；若CH0悬空，可得高使能三态输出门。

二、电平转换，1.8V~5V多档电平互转
常见电平标准有5V、3.3V、2.5V和1.8V，标准规定了输入、输出的高低电平电压阈值，多用VIH/VIL、VOH/VOL表示，图像展示会更加直观。

电平不兼容多见于芯片工作电压存在差异的场景。下图展示了两种常见的兼容性问题：第一种，左侧芯片输出电压高于右侧芯片工作电压，若右侧芯片的I/O不具备高电压耐受特性，右侧芯片可能损坏；第二种，右侧芯片输出电压未达到左侧芯片电平阈值，信号无法被正常识别。

为解决电平兼容性问题，常在信号通路中加入具有电平转换功能的器件，这类芯片称为电平转换器或电压电平转换器，英文常写作Voltage Level Translator或Voltage Translator。电平转换器支持升压或降压，常需两组供电，也存在使用单电源的形态。下图中，较低电压的MCU和较高电压的外围芯片通过电平转换器连接。

从功能上看，电平转换器是一类具有电压调节功能的缓冲器。观察CH443做缓冲器的结构，COM端输出电平总是与SEL端输入电平保持一致，但其输出电压独立于SEL端输入电压，由CH0和CH1决定。该特征使CH443适于电平转换类应用，缓冲器可做同相转换，反相器可做反相转换。

得益于SEL端较宽的输入电压范围，CH443用做电平转换器时，可实现1.8V~5V电平的电压互转，既支持升压转换，也支持降压转换。SEL端输入电压可独立于CH443的电源电压VCC，进一步提升了灵活性；六引脚的小封装，也使电路连接非常简单。

CH443电平转换应用支持1.8V~5V升/降压模式，覆盖常见1.8V、2.5V、3.3V和5V标准，汇总于下表。