什么是邏輯電平？如何實現電平轉換？（原理講解+電路圖）

邏輯電平是數字電子系統中的關鍵概念之一。它決定了信號被認定為高電平還是低電平，并進一步影響著數字電路的正確操作。

邏輯電平是用來表示數字信號狀態的電壓水平。在數字電子系統中，常用的邏輯電平有高電平（通常表示為“1”）和低電平（通常表示為“0”）。這兩個電平分別對應于二進制的“1”和“0”，代表著不同的邏輯狀態。邏輯電平的穩定性對于正確地識別和處理數字信號至關重要。

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TTL邏輯電平

/ TTL

TTL（Transistor-Transistor Logic）邏輯電平是早期廣泛使用的數字邏輯家族之一。TTL電平基于晶體管的飽和區和截止區之間的轉換。在TTL電路中，高電平被定義為2V至5V的電壓范圍，低電平則為0V至0.8V。

輸入高電平（VIH）：當輸入電平高于VIH，則認為輸入電平為高電平。

輸入低電平（VIL）：當輸入電平低于VIL，則認為輸入電平為低電平。

輸出高電平（VOH）：邏輯門的輸出為高電平時，電壓必須大于此值。

輸出低電平（VOL）：邏輯門的輸出為低電平時，電壓必須小于此值。

閾值電平（VT）：電路剛好能翻轉時的電平。

一般情況下：VOH>VIH>VT>VIL>VOL

TTL邏輯電平的主要特點

①高噪聲容忍度

TTL邏輯電平對噪聲的抵抗能力較強，可以正常工作在高噪聲環境下。

②快速開關速度

TTL家族具有較高的開關速度，適用于需要高速操作的場景。

③相對較高的功耗

由于其特殊的電路結構，TTL電路通常消耗較高的功率。

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CMOS邏輯電平

/ CMOS

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）邏輯電平是現代數字電子系統中常用的一種邏輯電平。CMOS邏輯電平通過晶體管的導通和截止來實現信號的切換。CMOS電平具有很寬的噪聲容限。

輸出 L：<0.1*Vcc；H：>0.9*Vcc

輸入 L：<0.3*Vcc ；H：>0.7*Vcc

CMOS邏輯電平的特點

① 低功耗

相對于TTL電路，CMOS電路的功耗較低，使其成為許多便攜式設備中的理想選擇。

② 高抗噪聲性能

CMOS邏輯電平對噪聲的容忍度也較高，可以在噪聲環境中保持良好的信號完整性。

③ 較寬的工作電壓范圍

CMOS電路可以在較寬的電壓范圍內正常工作，提供了更大的設計靈活性。

通常，在電路中會遇到TTL電路和CMOS電路混合使用的情況，由于這些電路之間的電源電壓、輸入/輸出電平及負載能力等參數不盡相同，因此它們之間的連接需要通過電平轉換電路，使前級器件的輸出邏輯電平滿足后級器件對輸入電平的要求。

當不同邏輯電平之間需要進行轉換時，我們可以使用電平轉換電路。

① TTL驅動CMOS電路

當它們使用相同的電源電壓時，可采用外接上拉電阻的方式提高TTL的驅動能力；當使用不同的電源電壓時，必須采用電平轉換電路。如3.3V TTL驅動5V CMOS：高電平輸出大于2.4V，如果落在2.4V至3.5V之間，CMOS電路不能檢測到高電平，需要進行電平轉換。

② CMOS驅動TTL電路

3.3V/5V CMOS可以直接驅動3.3V/5V TTL。3.3V CMOS驅動5V CMOS：高電平輸出3.3V，CMOS電路不能檢測到高電平，需要進行電平轉換。

如果是其它電平，請參考TTL與CMOS電平規范判斷是否需要進行電平轉換。另外，5V TTL和5V CMOS電平已經不常用了，因為它們輸入/輸出電平差距較大。

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常見電平轉換方式

/ 電平轉換

① 晶體管+上拉電阻

該方法是使用一個雙極型三極管或MOS管，C/D極接一個上拉電阻到正電源，輸出電平大致就是正電源電平。

② OC/OD器件+上拉電阻

該方法適用于器件輸出剛好是OC/OD的場合。OC門即集電極開路門電路；OD門即漏極開路門電路。

③ 專用電平轉換芯片

這是最通用的電平轉換方法，有些芯片不僅可以用作升壓/降壓，還能允許兩邊電源不同步，但價格也比較昂貴。如非必要，可以嘗試后面兩種方法。

④ 電阻分壓

最簡單的降低電平的方法。如5V電平經過1.6k+3.3k電阻分壓后就變成3.3V。但這種方法缺點也很明顯，功耗較大、驅動能力不強，帶載能力差。

⑤ 限流電阻

若是覺得使用兩個電阻太多，有時還可以只串聯一個限流電阻，保證輸入保護電流不超過電源極限就可以了。

⑥ 74xHCT系列芯片升壓（3.3V→5V）

直接使用芯片進行電平轉換，速率快、驅動能力強、成本高。凡是輸入與5V TTL電平兼容的5V CMOS器件都可以用作3.3V→5V電平轉換。這是因為3.3V CMOS的電平可以剛好與5V TTL電平兼容，而CMOS的輸出電平總是接近電源電平。

參考示例：

① 3.3V→5V電平轉換

如上圖，R1與Q1組成OC門，配合R2上拉至5V，以此實現電平轉換。Tx輸出0V，Q1導通，Rx端為0.3V左右；Tx輸出3.3V，Q1截止，RX端為5V，完成電平轉換功能。

② 5V→3.3V電平轉換

R3與Q2組成OC門，配合R5上拉至3.3V，實現電平轉換。Tx輸出0V，Q2導通，Rx端為0.3V左右；Tx輸出5V，Q2截止，RX端為3.3V，完成電平轉換功能。

邏輯電平作為數字電子系統中的核心概念，決定了信號的正確解讀和處理。本文簡單介紹了不同邏輯電平之間進行轉換的常見方案，至于其他的轉換方式，感興趣的朋友可以自行研究。