不同器件之間的GPIO連接為什么需要電平一致呢

第第頁不同器件之間的GPIO連接為什么需要電平一致呢？一、問題：不同器件之間的GPIO連接為什么需要電平一致呢？

如果連接不同電平（信號(hào)）的I/O，驅(qū)動(dòng)（IC）的輸出電壓電平可能不滿足（接收器）的輸入電壓規(guī)格，從而導(dǎo)致接收器故障或損壞。

圖一、電平轉(zhuǎn)換

1.2、

如果各個(gè)器件之間的電壓不匹配，可能會(huì)出現(xiàn)何種異常現(xiàn)象：

將某個(gè)信號(hào)從高電壓電平輸入至低電壓電平的器件，如右上圖所示。低壓側(cè)的器件輸入電路的耐壓通常較低，如果輸入高于（芯片）耐壓值的電壓，該器件可能會(huì)遭損毀。

將某個(gè)信號(hào)從低電壓電平輸入至高電壓電平的器件，如左下圖所示。如果在（高壓）側(cè)的器件上施加接近輸入閾值的電壓，則無法識(shí)別高電平信號(hào)，從而導(dǎo)致故障。

二、問題：既然GPIO允許被配置為開漏輸出。那么是否可以直接使用開漏功能實(shí)現(xiàn)不同電平之間轉(zhuǎn)換呢？比如：3V-1.8V

2.1、實(shí)現(xiàn)開漏輸入、輸出功能的引腳大至分為兩大類：

輸入、輸出引腳內(nèi)部電路是真正的MOS開漏、三極管開集電極輸出形式：比如電平轉(zhuǎn)換的專用緩存器、使用MOS管搭建的開漏輸入、輸出電路。此類功能的芯片、電路使用較簡(jiǎn)單。

普通的GPIO引腳通過配置控制寄存器，實(shí)現(xiàn)開漏極輸出功能。注意：此類GPIO使用較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為利用“開漏電路實(shí)現(xiàn)線與”實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.2、通過GPIO控制寄存器配置的開漏輸出為什么不能直接“線與”？

從前文GPIO簡(jiǎn)介可以知道：GPIO口內(nèi)部由輸入、輸出2部分組成；當(dāng)GPIO口的OUTPUT被使能，不管OUTPUT是否使能開漏輸出或推挽輸出，GPIO的輸入INPUT始終開啟。

如圖下圖所示，當(dāng)外部輸入1.8V時(shí)，由于IO_VCC3.3V，1.8V處于中間電平，導(dǎo)致IO輸入部分漏電。具體原因如下：

當(dāng)GPI0口電平與（供電）電壓VCC相等時(shí)，處于input狀態(tài)的內(nèi)部電路等效為一個(gè)PMOS連接到VCC和一個(gè)NMOS連接到地；當(dāng)輸入電壓為VCC時(shí)，只導(dǎo)通下管NMOS，不導(dǎo)通上管PMOS，故功耗可以忽略不計(jì)。同理，當(dāng)輸入電平為低電平時(shí)，只導(dǎo)通上管PMOS，不導(dǎo)通下管NMOS，功耗也可以忽略不計(jì)。

但當(dāng)GPIO輸入電壓為1.8V時(shí)，IO_VCC電壓為3.3V，上管和下管同時(shí)微導(dǎo)通，因此通過PMOS、NMOS產(chǎn)生漏電。

三、常用的電平轉(zhuǎn)換方法、電路：

3.1、（二極管）轉(zhuǎn)換電平（單向轉(zhuǎn)換）

左側(cè)為5V電壓域，右側(cè)為3.3V電壓域：

當(dāng)左側(cè)電壓輸出高電平（5V）時(shí)，二極管D1截止。右側(cè)被上拉到一個(gè)3.3V的高電平；

當(dāng)左側(cè)電壓輸出低電平（0V）時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，右側(cè)被拉到為二極管導(dǎo)通電壓的低電平；

（注：該電路在低電平轉(zhuǎn)換時(shí)存在轉(zhuǎn)換誤差，該誤差主要來源于二極管正向?qū)▔航?，二極管在選型時(shí)，5V端輸出的VOL+二極管正向壓降VF不能超過VIL的最大值，（MCU）在3.3V供電時(shí)，VIL電壓最大值為0.8V，MCU在1.8V供電時(shí)，VIL電壓最大值為0.3*1.8V=0.54V）。

3.2、MOS管轉(zhuǎn)換電平（雙向轉(zhuǎn)換）

左側(cè)為3.3V電壓域，右側(cè)為5V電壓域：

當(dāng)左側(cè)電壓輸出低電平（0V）時(shí)，MOS管導(dǎo)通，右側(cè)電壓通過MOS管被拉低；

當(dāng)左側(cè)電壓輸出高電平（3.3V）時(shí)，MOS管不導(dǎo)通。右側(cè)電壓被（電阻）R1上拉到5V；

當(dāng)右側(cè)電壓輸出低電平（0V）時(shí)，MOS管不導(dǎo)通，MOS管先經(jīng)過體二極管把左側(cè)電壓拉到低電平，此時(shí)，Vgs大于MOS管（閾值電壓）從而使MOS管導(dǎo)通，進(jìn)一步左側(cè)電壓通過MOS管被拉低；

當(dāng)右側(cè)電壓輸出高電平（5V）時(shí)，MOS管不導(dǎo)通。左側(cè)電壓被電阻R2上拉到3.3V。

3.3、使用專用電平轉(zhuǎn)換總線開關(guān)或