I/O 電壓標準及其如何確保微控制器的相互通訊

想像一下：您嘗試用母語與外國人溝通 (圖 1)，卻發現對方不僅聽不懂，您說的「是」在對方的語言中還代表「否」。這就是兩個 I/O 標準不相容的積體電路 (IC) 在嘗試通訊時，會發生的情形。輕則造成混亂，重則造成硬體損壞。

圖 1：AI 生成的圖片，象徵使用不同 IO 標準會造成的混亂。 (資料來源：AI 生成)

微控制器以 0 和 1 的二進位邏輯作業，這些邏輯位準有對應的電壓範圍。例如，一個微控制器可能將低於 0.3 V 的任何電壓讀取為邏輯「0」，將高於 2.7 V 至高達 3.3 V 的任何電壓讀取為邏輯「1」。但是另一個微控制器可能將從 1.2 V 到 1.8 V 的任何值讀取為「1」。如果第一個微控制器向第二個微控制器發送 3.3 V 的訊號 (圖 2)，則可能會超過接收裝置的電壓耐受度，造成永久損壞。

圖 2：兩個 IO 標準不相容的 IC 進行通訊的示意圖。(資料來源：AI 生成)

因此，在嵌入式系統設計中必須要瞭解和管理 I/O 電壓相容性。兩個晶片之間若無適當的位準移位或電壓轉換，即使是進行簡單的連接，也可能導致無法預測的行為或硬體故障。

I/O 電壓標準的角色

I/O 電壓標準定義數位邏輯訊號可接受的電壓位準，指定構成邏輯高 (1) 或低 (0) 位準的要素。這些標準確保裝置能夠正確解譯訊號，並且適當回應。如果針對這些位準沒有共同認可的標準，可能會造成裝置誤讀訊號或無法相互通訊。

由標準定義的術語：

• 輸入高電壓 (VIH)：視為邏輯高位準的最小電壓。
• 輸入低電壓 (VIL)：視為邏輯低位準的最大電壓。
• 輸出高電壓 (VOH)：視為邏輯高位準的最小電壓輸出。
• 輸出低電壓 (VOL)：視為邏輯低位準的最大電壓輸出。

若要通訊成功，一個裝置的輸出位準必須在接收裝置可接受的輸入範圍內。

單端 IO 標準

單端輸入輸出 (SIO) 標準 (圖 3) 是最常用的輸入輸出 (I/O) 標準之一。使用參考共用接地的單一電線傳輸訊號。針對低速和低複雜度的設計，相較於使用兩個互補訊號的差動訊號標準，SIO 是一種符合經濟效益且更簡單的替代方案。

低電壓互補金屬氧化物半導體 (LVCMOS) 是一種常見的單端標準，在某些情況下常稱為 LVMOS。LVCMOS 通常在 1.8 V、2.4 V、3.3 V 下作業，並為邏輯高位準和低高位準定義特定的閾值。SIO 標準很簡單，但有其代價；LVCMOS 等 SIO 在長距離或高頻下容易受到雜訊和訊號衰減影響。當 LVCMOS 與不同電壓域下運作的裝置介接時，必須使用位準移位器，以確保電壓相容。

圖 3：不同 IO 標準的電壓位準。(圖片來源：Texas Instruments)

I/O 介接的挑戰

1. 電壓不匹配

在介接不同電壓位準下運作的裝置時，最常見的問題是電壓不匹配。舉例而言，如果未先經過位準轉換，就將 3.3 V 輸出連至 1.8 V 輸入，可能會損壞低電壓裝置 (圖 2)。

若要緩解這種情況，必須確保 IC 的輸入高電壓 (VIH) 和輸入低電壓 (VIL) 位準與另一個 IC 的輸出高電壓 (VOH) 和輸出低電壓 (VOL) 位準匹配。

2. 訊號完整性

在高速下，反射、振鈴、串音都可能會損壞訊號。正確端接、阻抗匹配、走線佈線對於維持乾淨的訊號轉換非常重要。

3. 電源域

在具有多個電壓軌的系統中，必須特別注意訊號在各個域之間的隔離或轉換。位準移位器、分壓器、含上拉電阻的開汲極配置是常見的解決方案。

進階邏輯系列：LVPECL、CML、VML、LVDS

在高速通訊系統中，會使用低電壓正射極耦合邏輯 (LVPECL)、電流模式邏輯 (CML) 和電壓模式邏輯 (VML) 等邏輯系列 (表 1)。這些邏輯可達到更快轉換和更佳雜訊耐受效能，但需要經過精心設計：

• LVPECL：工作電壓約 3 V，具有差動訊號和高速效能
• CML：使用恆定電流源達到快速切換和低抖動
• VML：較不常見，但提供與負載無關的擺盪之電壓模式訊號
• LVDS：廣泛用於中速、低功率差動訊號

表 1：依邏輯位準 LVPECL、CML、VML、LVDS 劃分的電壓參數。(圖片來源：Texas Instruments)

I/O 介接的最佳實務

1. 請務必檢視規格書中的 VIH、VIL、VOH、VOL 值。
2. 跨電壓域介接時使用位準移位器。
3. 儘早進行測試並常使用示波器和邏輯分析儀。

I/O 介接不只是連接引腳，還要確保所有訊號都按照預期準確理解。嵌入式系統越來越複雜，並且跨多個電壓域和邏輯系列運作，必須掌握 I/O 相容性。

瞭解電壓標準、預測不匹配，並且運用最佳實務，我們可以設計出強大、可靠的系統，達成清晰的通訊，而不會出現任何解譯錯誤。然而，如果需要介接不同 I/O 標準的 IC，緩解訊號位準不匹配的方法之一就是使用位準移位器。

位準移位器

位準移位器 (LS)，也稱為電壓轉換器，此電路用於嵌入式系統，為不同電壓位準下作業的組件進行安全介接。假設一個以 3.3 V 運作的微控制器，需要與以 1.8 V 邏輯運作的感測器通訊，位準移位器可確保訊號在兩者之間正確轉換，而不會造成任何損壞或邏輯錯誤。依據所用協定，位準移位器可分為單向或雙向。位準移位器通常使用 MOSFET、緩衝器 IC 或專用轉換器晶片。位準移位器可維護訊號完整性及保護混合電壓環境中的組件，發揮不可或缺的作用。

圖 4：八通道位準移位器模組。(來源：SparkFun)

其他資源

1. https://www.ti.com/lit/an/slla120/slla120.pdf
2. 邏輯位準轉換基本知識 | DigiKey
3. 射極耦合邏輯 - GeeksforGeeks
4. LVPECL 技術：原理、分類、應用、效能洞察
5. Microsoft Word - Hfan10v2_4-08.doc