Posted By Liang Bird on 7 月 2, 2019 in Maker電子學, 教學文 | 6 comments

作者：Bird

數位電路的狀態雖然只有零和一，但其實那是我們定義出來的狀態。至於什麼樣的物理狀態是一、什麼是零，背後仍有許多學問，這次就讓我們來探討一下數位電路的邏輯準位系統，以及它們混合使用時有什麼需要注意的事項。

古老的 5 V 邏輯

Arduino 使用的邏輯電壓準位是 5 V，這其實是一個很古老的數位電路邏輯準位電壓（大概在 1960 年代末期，市場上開始出現 54 開頭與 74 開頭的數位邏輯 IC 時，標準的供電電壓就是 5 V 了）。當年的 CMOS 電路還不夠成熟，因此邏輯電路大部分是由電晶體做成的，這種邏輯電路稱為 TTL（transitor-transtor-logic），我們就找一顆 TTL 的邏輯 IC 來看看它的邏輯電壓準位吧！

以 SN74LS00 這顆 IC 為例，我們來看看它的 datasheet。

SN74LS00 的 datasheet（圖片來源：Bird 提供）

V_IH 這個符號，代表的是「輸入被當作邏輯 high 時的電壓」，也就是邏輯 1 的電壓，根據上面的 datasheet，74LS00 只要輸入在 2.0 以上，就會當作是邏輯狀態 high；至於 V_IL 這個符號，代表的是「輸入被當作邏輯 low 時的電壓」，也就是邏輯 0 的電壓，以 74LS00 為例，它的 V_IL 是 0.7 V，也就是說輸入只要在 0.7 V 以下，就會被當作是邏輯狀態的 low。

不過有些 IC 的邏輯準位電壓與供電電壓有關，尤其是供電電壓範圍很寬的 IC，像 Arduino 上的 MCU 就是屬於這種。

Arduino 的邏輯準位

Arduino 使用的 MCU 晶片是 Atmel（已被 Microchip 收購）的 ATmega328P，這是一顆 8-bit 的 AVR 核心微處理器。通常微處理器的 datasheet 或 reference manual 會包含核心說明與軟體相關的資料，頁數都相當豐厚，ATmega328P 的 datasheet 就厚達六百多頁，但今天我們感興趣的是它的「邏輯電壓準位」，這通常會列在 Electrical Characteristics 這個章節。

因此我們找到 ATmega328 的 datasheet，翻到 chapter 30，它的標題是「Electrical Characteristics—（TA = TA = -40°C to 105°C）」，這表示的是「它在環境溫度 TA = -40°C to 105°C 時的電氣特性」。

Table 30.1 這個表格中，列出了很多與邏輯準位有關的特性（圖片來源：Bird 提供）

V_IL 這個符號，一樣是「輸入被當作邏輯 low 時的電壓」，也就是邏輯 0 的電壓。它有一個範圍，以第一項 V_IL 來說，它是除了 XTAL1 與 RESET 這兩支接腳外，所有其它接腳判斷邏輯 0（或是 low）的電壓範圍，最低是 -0.5 V，最高是 0.2 V_CC 或 0.3 V_CC，也就是電源電壓的 0.2 倍或 0.3 倍（依電源電壓的範圍而定）；如果電源電壓在 1.8 V–2.4 V 之間，上限就是電源電壓的 0.2 倍；如果電源電壓在 2.4 V–5.5 V 之間，上限就是電源電壓的 0.3 倍。

以 Arduino 來說，它供給 ATmega328p 的電源電壓是 5 V，因此在 Arduino 上 V_IL 的上限就是 5 * 0.3 = 1.5 V；換句話說，在這些 I/O 接腳上，只要電壓的範圍在 0.5 V 到 1.5 V 之間，軟體讀到的狀態就會是 low 或是 0。

如果電壓超過 1.5 V，就不能保證軟體讀到的一定會是 0（但也不保證一定是 1）。如果電壓低於 -0.5 V，軟體讀到的應該還是 0，但也有可能軟體無法讀取 I/O 腳，因為 -0.5 V 是這顆 IC 所能耐受的最低輸入電壓，如果電壓再低，可能會造成 ATmega328P 的永久損壞（這部分的特性會記載在 datasheet 中的「Absolute Maximum Ratings」，也就是它最大可以耐受的一些電壓、溫度、電流等特性）。

至於 V_IH ，它一樣有一個範圍。以 Arduino 來說，在 5 V 供電時，它的 V_IH 是 0.6 V_CC-V_CC+0.5 V，也就是 3 V-5.5 V。只要輸入電壓在這個範圍內，軟體讀取到的邏輯就是 high 或是 1。（最高不能超過V_CC+0.5 V 的原因和前面說得一樣，這是 IC 的 Absolute Maximum Ratings，超過這個範圍只會弄壞 IC）。

既然 1.5 V 以下是邏輯 0，3 V 以上是邏輯 1，那麼 1.5 V 到 3 V 這個區間是什麼呢？

這個區間的電壓叫做「你不要玩弄我」電壓。當輸入電壓在這個區間內，ATmega328P 就無法保證它偵測道德邏輯是 0 或是 1，有可能是 0 也有可能是 1，有可能同一個電壓這一次是 0，下一次是 1。總之，這是一個「不確定」的地帶，因此請你設計電路時不要用這個區間的電壓去驅動數位輸入腳！否則你就是在玩弄它。

前面介紹的 74LS00 這類以 0.7 V 和 2.0 V 為分界的邏輯電壓系統，通常叫做「TTL 邏輯」。而像 Arduino 這種以 0.3 V_CC、0.7 V_CC為分界的邏輯電壓系統，稱為「CMOS 邏輯」，因為用 CMOS 製程設計出來的邏輯電路都有類似這樣的特性。

手牽手接起來

如果我們把一個 5 V 供電的 TTL 邏輯系統與 5 V 供電的 CMOS 系統接在一起，它們可以工作嗎？

這時會牽涉到另一個邏輯電路的特性：輸出的邏輯準位電壓。我們先來看 TTL：

（圖片來源：Bird 提供）

V_OH 這個符號，代表的是「輸出邏輯 high 時的電壓」，以上面的 74LS00 來說，它的 V_OH 是 typical 3.5 V，也就是說，當它的輸出是邏輯 high 的時候，「通常」可以有 3.5 V，但至少也會有 2.7 V；至於 V_OL 這個符號，代表的是「輸出邏輯 low 時的電壓」，以上面的 74LS00 來說，它的 V_OL 是 typical 0.35 V，也就是說當它的輸出是邏輯 low 的時候，「通常」是 0.35 V，最高不超過 0.5 V。

有沒有發現 TTL IC 的 V_OH 高於 V_IH 、V_OL 低於 V_IL？這就是為了確保 TTL IC 之間在互相連接時，有足夠的設計餘裕。就算輸出方的訊號因為衰減、雜訊之類的因素在傳到輸入方時已經沒有原來那麼高的電壓，但由於 V_OH 原來就高於 V_IH 還蠻多的，因此有 1.5 V 的空間可以容許衰減，同時讓接收方收到正確的邏輯 1（邏輯 0 時也是一樣的道理，不過設計餘裕沒有那麼大）。

至於 CMOS 系統的輸出電壓，我們一樣以 Arduino 的 ATmega328P 為例：

（圖片來源：Bird 提供）

它的 V_OH 與輸出電流有關，輸出電流越大，V_OH 能推到的電壓就越低，這和 CMOS 邏輯電路內部的設計結構有關。以上表為例，當供電電壓為 5 V、接腳輸出電流是 20 mA 且環境溫度是 85 °C 時，它保證 ATmega328p 在輸出邏輯 high 時，腳上的電壓至少可以有 4.2 V。

事實上 20 mA 的輸出電流對一般數位邏輯 IC 而言是非常大的電流，如果只是把邏輯 IC 彼此相互連接，是不需用到這麼大的電流，而 CMOS IC 在輸出電流很小時，它的邏輯 high 輸出電壓會非常接近電源電壓。

（圖片來源：Bird 提供）

邏輯準位 0 時的輸出電壓也是類似的狀況。以上表為例，當供電電壓為 5 V、接腳流入電流是 20 mA 且環境溫度是 85 °C 時，它保證 ATmega328p 在輸出邏輯 low 時，腳上的電壓不會超過 1.0 V。為什麼電流是流入呢？因為通常「輸出 low」的意思，其實是要把外面的輸入電路拉到比較低的電壓準位，因此電流的方向通常會從 IC 的外部流入輸出腳。

和邏輯 high 時一樣，CMOS IC 在流入電流很小時，它的邏輯 low 輸出電壓會非常接近 0 V。

接下來要來對接了。我們先用 TTL 系統當輸出，CMOS 系統當輸入，把兩個系統的邏輯電壓準位用圖表示出來：

TTL 系統與 CMOS 系統（圖片來源：Bird 提供）

我們可以發現，在邏輯 low 時，由於 5 V TTL 的輸出電壓最高不會超過 0.35 V，而 5 V CMOS 只要 1.5 V 以下的輸入都會認定為 low，因此對於 5V CMOS 的輸入來說是綽綽有餘的。

但邏輯 high 的情況就有點不妙了，根據上面的資料，5V TTL 的 typical 輸出電壓只有 3.5 V，剛剛好符合 5 V CMOS 的輸入邏輯 high 的電壓下限；也就是說，這樣接起來應該可以動，但經不起任何風吹草動，只要訊號有任何衰減或是雜訊，就有可能讓 5 V CMOS 這邊收到的狀態掉入中間的不確定區。但事實上 5 V TTL 的 V_OH = 3.5 V 是在 I_OH=max 最大的極端狀況，如果它不需要輸出這麼大的電流，V_OH 一樣可以接近 V_CC。

那麼用 5 V CMOS 推 5 V TTL 的場合呢？我們可以用一樣的方法來分析一下：

（圖片來源：Bird 提供）

在邏輯 high 的部分完全沒有任何問題，因為 5 V TTL 只需要 2.0 V 就認定為 high，而 5 V CMOS 在最壞的狀況下 V_OH 都有 4.2 V，但在邏輯 low 的這一端，5 V TTL 要求輸入 0.7 V 以下，而 5 V CMOS 的 V_OL 最差可能會到 0.9 V，就會產生一些風險。事實上，由於我們不會把輸出電流用到這麼極限，因此在大部分的狀況下，5 V CMOS 只需要很少的電流就能推動 5 V TTL 的輸入，V_OH 便會接近 0 V，這樣的接法應該可以啟動。

3.3 V CMOS 邏輯

撇開古老的 TTL 邏輯不談，3.3 V CMOS 邏輯大概是現在用得最多的邏輯準位，市面上有一些小型化的 Arduino 變形版本如 Pro Micro 等，就可以買到 3.3 V 的版本。

當 Arduino 的 MCU 工作在 3.3 V 時，它能不能和 5 V 的 Arduino 系統對接呢？用 5 V 的系統當輸出、3.3 V 的系統當輸入是沒辦法的，因為 5 V CMOS 的輸出電壓可能會接近 5 V，這遠超過 3.3 V 系統的 Absolute Maxium Rating，也就是輸入電壓不能大於 V_DD+0.5 V，但如果用 3.3 V 系統當輸出，5 V 系統當輸入呢？我們來分析看看。

（圖片來源：Bird 提供）

看圖就知道沒希望了，因為 3.3 V CMOS 最高也只能輸出 3.3 V 的電壓，但 5 V 的 CMOS 需要至少 3.5 V 才會確定是邏輯 high，因此 3.3 V 的 CMOS 不能直接去推動 5 V 的 CMOS 輸入。

小結

那如果用 3.3 V CMOS 輸出去推動 5 V 的 TTL 邏輯呢？答案是可以的哦，至於這部分的分析和驗證，就留給讀者們了。

這次我們談了不同邏輯系統之間的電壓位準差異、如何從 datasheet 上了解 IC 的輸出入電壓基準，以及它們之間要對接時可能會遇到的一些問題。事實上由於現在的晶片製程越來越進步，電壓越來越低，因此各種不同電壓的邏輯在同一個系統中混用越來越常見，下一次我們再來聊一聊真的要對接不同電壓的邏輯系統時，電路上該如何處理。

（責任編輯：賴佩萱）

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Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年，經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業，從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物，協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業，熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號，亦是不折不扣的熱血 maker。

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