作者：Bird
上篇文章【Maker電子學】邏輯準位轉換電路的設計我們聊了如何設計邏輯準位的轉換電路，並用 SPI 界面示範了有特定方向的邏輯準位轉換電路；這次我們要來看看，對於傳輸方向可能會變化的邏輯電路，要如何設計它們的準位轉換電路。
驅動的方向
在數位邏輯電路中，「驅動的方向」是一個有點抽象的概念。所謂的「輸出」，或稱「驅動電路」，事實上就是一個比較強的電路，有能力去改變另一個電路的狀態；而所謂的「輸入」，或稱「接收電路」，就是一個很容易被改變狀態的電路，讓另一個電路可以輕易地操縱它。
輸出（驅動電路）與輸入（接收電路）（圖片來源：Bird 提供）
如果用比較厲害的語言來說，驅動電路通常是「低阻抗」，而接收電路通常是「高阻抗」。在電路學中，阻抗越高，狀態就越容易被改變，這也是爲什麽輸入電路的阻抗相對來説通常都很高，因爲如此才能讓別人輕易地改變它原先的狀態，也才能偵測到狀態的變化。
一個輸出電路，可以接到一個以上的輸入電路，因爲輸入電路是狀態很容易被改變的負載，因此「一對多」這樣的做法多半不會有什麽問題，如下圖所示：
（圖片來源：Bird 提供）
但如果我們將兩個輸出電路接在一起，由於輸出電路是一個很強勢、不願被別人改變狀態的電路，這樣的接法就會造成強強相碰，誰也不讓誰，在電路上叫做「port conflict」，意思就是界面打架了，如下圖所示：
（圖片來源：Bird 提供）
以上圖為例，如果左邊的 driver 輸出邏輯 1、右邊的 driver 輸出邏輯 0，那麽中間這根電路上的狀態到底是邏輯 0 還是邏輯 1 呢？這就得看誰強誰弱了。如果兩方的驅動能力有明顯的差別的話，強的一方可以取得主導權，但仍會造成電路耗電、發熱等不良的效應，但大部分的情況是兩邊的驅動能力都差不多，使得中間電路卡在一個不上不下的狀態，也就是我們之前説過的「你不要玩弄我」電壓。
可變方向的邏輯電路準位轉換 IC
搞懂輸出與輸入的定義後，我們回到邏輯準位轉換的問題上。對於雙向都有需求的邏輯電路準位轉換，有一種很常用的可變方向轉換 IC，我們以 74LVC164245 爲例來説明，如下圖所示：
（圖片來源：Bird 提供）
74LVC164245 這顆 IC 分成 A、B 兩側，從接腳的命名上就看得出來；1A1、1A2、2A1、2A2 等就是 A 側，1B1、1B2、2B1、2B2 等就是 B 側；A 側和 B 側又再分成兩組，每組 8 支腳，因此每邊總共 16 支腳。A、B 兩側各有自己的電源接腳，分別是 VCCA 和 VCCB，而供電電壓分別決定了每一側的邏輯準位；其中 VCCA 支援 2.5 V 到 3.3 V 這種電壓比較低的邏輯準位，而 VCCB 則支援 3.3 V 到 5 V 這種電壓稍高的邏輯準位。
A 和 B 都可以當作輸入，也可以當作輸出，那麽誰是輸入誰是輸出呢？這時候就由 DIR 這支腳的狀態來決定了。我們來看一下 datasheet 中的接腳狀態功能表：
（圖片來源：Bird 提供）
當 DIR 腳是 low 的時候，它的功能叫做「B data to A bus」，意思就是傳輸的方向是由 B 到 A，這時 B 就是輸入、A 是輸出。從表上可以看出，此時 B 側的狀態叫「Hi-Z」，Z 是電路學中「阻抗」（impedance）的符號，也就是說 B 側在這個模式下是「高阻抗」狀態。
我們前面説過，一個輸入腳必須是在高阻抗狀態，它才能接受別人來改變它的狀態，因此當資料的傳輸方向是由 B 到 A 時，B 就應該是高阻抗的狀態（而此時 A 側則是具有驅動能力的輸出狀態）；反過來當 DIR 腳是 high 時，傳輸的方向就是由 A 到 B，此時 A 是輸入，也就是高阻抗狀態，而 B 則是輸出。
另外有一隻接腳叫 OE，它是 output enable 的意思。OE 上面有一條線代表它是負邏輯，也就是說 low 的時候它所標示的功能才動作。當 OE 是 low 的時候，74LVC164245 就會以如同上面說明的方式工作；當 OE 是 high 時，不管 DIR 是哪個方向，A 側和 B 側都會進入高阻抗狀態（你可以想像兩邊都是輸入，沒有人輸出，因此訊號不會傳遞到任何一側，這也是為什麼它上面寫「isolation」的原因，因為當 A 和 B 都是輸入時，就等於兩邊的電路斷開來了）。
使用這種方向可切換的邏輯準位轉換 IC 時，有一個很重要的關鍵是「你必須知道現在訊號傳輸的方向，然後控制 DIR 腳，正確改變 IC 的驅動方向」，但實務上有些界面，它的驅動方向可能隨時在改變，而且沒有像 DIR 這樣的訊號可以使用，最常見的例子就是 I2C bus。
I2C 是一種很常用的 bus 系統，bus 上可以同時存在多個 master 與 slave，而且資料的傳輸方向從 master 到 slave 或是從 slave 到 master 都有可能，甚至會在傳輸的過程中突然變化，但 I2C bus 總共只有兩根線：SCL 與 SDA，它並沒有另外的訊號來指示 bus 的傳輸方向（事實上 SDA 和 SCL 是大家共用的，也很難說有什麼方向性），因此這樣的 bus 沒辦法用上面說明的那種邏輯準位轉換 IC 來做轉換。
那我們要如何把一個 3.3 V 的 I2C bus 和一個 5 V 的 I2C bus 接起來呢？
I2C Bus 的邏輯準位轉換
I2C bus 上所有的裝置連接 bus 的界面都是 open–drain，而整個 bus 上則有大家共用的「拉起電阻」，因此任何一個裝置都可以將 bus 拉到 low，而只有當 bus 上沒有人驅動 bus 時，才會靠著拉起電阻讓 bus 恢復成 high 的狀態。
這樣的接法稱之為「wired-OR」，意思就是用線接在一起的「OR」邏輯。在數位電路中的 OR 邏輯就是「多個輸入中只要有一個或一個以上的輸入為 1，輸出就為 1」。在 I2C bus 上則是「整個 bus 上只要有一個或一個以上的裝置驅動 bus 為 low，bus 就為 low。」
這樣的設計讓邏輯 low 比 high 有更高的優先權，也巧妙的解決前面提過的「port conflict」的問題，也因為這樣的 bus 特性，I2C bus 的發明者 NXP 半導體（前身為飛利浦半導體）在很多年前就提出了一個用兩顆 MOSFET 就能對接兩個不同電壓 I2C bus 的方法，相當簡潔、優雅，而且可靠。
這個方法在 NXP 半導體的 AN10441 文件中有詳細的說明，接下來我們簡單地來看一下它：
（圖片來源：Bird 提供）
上圖就是用兩顆 MOSFET 連接不同電壓 I2C bus 的方法。左側是電壓較低的 3.3 V 系統，右側是電壓較高的 5 V 系統，電路中的四個 RP 電阻則是兩邊 bus 的拉起電阻，分別將各自的 bus 在沒有裝置驅動時的電壓拉至電源電壓。這個電路有三種狀態：
- 如果兩邊都沒有裝置去拉 bus 的話，因為兩邊都有各自的拉起電阻，3.3 V 側的電壓就會是 3.3 V，5 V 側的電壓就會是 5 V，而圖中的 MOSFET、gate、source 的電壓都是 3.3 V，因此它的 VGS 等於 0，MOSFET 就不會導通；至於 MOSFET 的 body diode，因為是在逆偏壓的狀態下，因此也不會導通，這讓 bus 的兩邊都能被拉到各自的電源電壓，而不會有互相干擾的問題。
- 如果 5 V 側有裝置將 bus 拉到 low，MOSFET 的 body diode 就會變成順偏壓，而開始導通，導通之後，3.3 V 側的電壓會開始下降，當 3.3 V 側的電壓低於某個程度時，由於 MOSFET 的 gate 是接在 3.3 V 電源上，此時 MOSFET 會開始導通，更進一步地讓 5 V 側將 3.3 V 側的 bus 電壓拉低，直到兩邊電壓相等為止；這就是由 5 V 側驅動 3.3 V 側的方法。
- 如果 3.3 V 側有裝置將 bus 拉到 low，由於 MOSFET 的 gate 接在 3.3 V 上，當 source 電壓降低到某個程度，讓 MOSFET 的 VGS 大於它的 threshold 電壓，MOSFET 就會導通，此時 3.3 V 側就會透過 MOSFET 將 5 V 側的 bus 拉低，直到兩邊電壓相等為止；這是由 3.3 V 側驅動 5 V 側的方法。
這個電路用了一個很簡單的方法就讓兩側的 I2C 可以維持同步的邏輯準位，即使它們的電壓可能不同；至於這兩顆 MOSFET 要用什麼樣的零件，一般用途的小信號 N-channel MOSFET 如 BSN20 或 2N7002 這種常用的 MOSFET 都很適用。
小結
這次我們談了利用專用的雙向邏輯準位轉換 IC 來做雙向的準位轉換，另外還介紹了 I2C bus 這種 open-drain、多裝置共享 bus 的邏輯準位轉換方法，希望以上的介紹對讀者們往後設計混合電壓的系統時，有的實際的幫助。
（責任編輯：賴佩萱）
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