電壓容限原理及相關(guān)介紹

電壓容限是邏輯驅(qū)動(dòng)器的保證輸出與邏輯接收器在最壞的情況下的靈敏度之間的差值。工作基于接收電壓的邏輯系列產(chǎn)品都有電壓容限，如同光學(xué)邏輯器件有光子容限，或者機(jī)械設(shè)備在BABBAGE引擎中有機(jī)械聯(lián)運(yùn)容限一樣。

圖2.15舉例說(shuō)明了MOTOROLA 10KH射極耦合邏輯門(mén)電路在25℃環(huán)境溫度條件下的電壓容限，這此邏輯門(mén)電路都是對(duì)輸入電壓敏感，保證0和1轉(zhuǎn)換的電壓門(mén)限在圖中以VOL MIN和VIH MAX數(shù)值形式表示。接收到的電壓低于VIL MIN則保證為邏輯0響應(yīng)，高于VM MAX則保證為邏輯1響應(yīng)。落在兩個(gè)門(mén)限之間的接收電壓可能被接收電路判決為1，也可能為0，或者為一個(gè)不確定狀態(tài)。

VOL MIN意味著，對(duì)于所有的門(mén)電路，它是保證輸入為低電平所需的電壓門(mén)限。大多數(shù)邏輯門(mén)電路將會(huì)跳到比VIL MIN更低的電壓。這些邏輯門(mén)電路具有了一個(gè)額外的開(kāi)關(guān)容限。制造商并不標(biāo)明低電平的開(kāi)關(guān)門(mén)限有多大，而是只標(biāo)定其最小值。這一準(zhǔn)則也適用于VIH MAX，但要反過(guò)來(lái)。

對(duì)于10KH系列產(chǎn)品，保證0和1的輸出電壓分別標(biāo)定為VOL和VOH。當(dāng)發(fā)送一個(gè)低電平時(shí)，輸出電壓要確保位于VOL MIN和VOL MAX之間。當(dāng)發(fā)送一個(gè)高電平時(shí)，輸出電壓要確保位于VOH MIN和VOH MAX之間。

要確保輸出范圍和不確定人范圍之間沒(méi)有重疊。無(wú)重疊意味著靜態(tài)傳輸?shù)闹?，無(wú)論是0還是1，總是會(huì)被正確地接收到。

針對(duì)具體的門(mén)電路而言，其實(shí)際發(fā)送值是一個(gè)與環(huán)境溫度、電源以及產(chǎn)品制造過(guò)程有關(guān)的變量函數(shù)。它的數(shù)據(jù)指標(biāo)手冊(cè)往往只聲明0和1的輸出值分別都超過(guò)VOL和VOH。圖2.15中標(biāo)出了典型的輸出電平。

“電壓容限”指的是VOH和VIH之間的差值，或者VOL和VIL之間的差值，這里都取最小值。

正如邏輯輸出的值通常都優(yōu)于最壞情況下的指標(biāo)一樣，超過(guò)最壞情況的開(kāi)關(guān)門(mén)限邏輯輸入通常能夠準(zhǔn)確地識(shí)別。一個(gè)典型的10KH反相器的轉(zhuǎn)換函數(shù)顯示在圖2.15中。正如讀者所看到的，電路在開(kāi)關(guān)區(qū)域表現(xiàn)出的增益為-4，在開(kāi)關(guān)區(qū)域之外電路進(jìn)入飽和，其輸出值位于陰影部分的指標(biāo)范圍內(nèi)。僅這一個(gè)門(mén)電路能夠很好地工作在最壞情況的開(kāi)關(guān)區(qū)域內(nèi)，并不表明每個(gè)門(mén)電路都將地這樣。下一個(gè)離開(kāi)流水線(xiàn)的門(mén)電路也許有不同的輸入直流偏置，因而轉(zhuǎn)換電壓接近于最壞情況區(qū)域的這一邊或另一邊。軍用產(chǎn)品制商在工廠里對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩選，以保證開(kāi)關(guān)門(mén)限在許可范圍之外的產(chǎn)品沒(méi)有一個(gè)被運(yùn)走。商用產(chǎn)品制造商僅僅統(tǒng)計(jì)抽檢產(chǎn)品參數(shù)，而且只是盡力而為。

為什么需要容限在許可范圍之外的產(chǎn)品沒(méi)有一個(gè)被運(yùn)走。商用產(chǎn)品制造商僅僅統(tǒng)計(jì)抽檢產(chǎn)品參數(shù)而且只是盡力而為。

為什么需要容限呢？容限能夠?qū)φ鎸?shí)系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)的非理想發(fā)送和接收缺陷進(jìn)行補(bǔ)償。在如下的信號(hào)劣化情況中，沒(méi)有足夠容限的系統(tǒng)將無(wú)法運(yùn)行：

1、直流電源的電流流經(jīng)接地通路的DC電阻，導(dǎo)致各邏輯器件之間存在地電位差。門(mén)電路發(fā)送的信號(hào)是在本地地電位上的一個(gè)固定電位，如果發(fā)送門(mén)與接收門(mén)的參考電位之間發(fā)生了偏移，那么收到的將會(huì)是另外一個(gè)電位。

2、快速變化的返回信號(hào)電流，流經(jīng)接收通路電感，引起邏輯器件之間對(duì)地電壓的變化。這些對(duì)地電壓關(guān)對(duì)于接收信號(hào)電位的影響就像上面所說(shuō)的直流地電位差一樣。這是感性串?dāng)_的一種形式。

3、鄰近線(xiàn)路上的信號(hào)可能通過(guò)各自的互容或互感相互耦合，對(duì)某個(gè)指定的線(xiàn)路產(chǎn)生串?dāng)_。串?dāng)_疊加到預(yù)期的接收信號(hào)之上，可能使一個(gè)好信號(hào)偏移到臨近開(kāi)關(guān)門(mén)限。

4、振鈴、反射、長(zhǎng)的線(xiàn)路使二進(jìn)制信號(hào)的形狀產(chǎn)生扭曲。與發(fā)射端相比，接收端變化了的信號(hào)顯得更小。容限為信號(hào)失真留出了一些容許限度。

5、某些邏輯系列產(chǎn)品的門(mén)限電平是一個(gè)溫度的函數(shù)。溫度較低的門(mén)電路到溫度較高的門(mén)電路的信號(hào)傳送可能容限減少或者負(fù)的容限值。

第1項(xiàng)和第5項(xiàng)適用于所有的系統(tǒng)，而無(wú)論其運(yùn)行速度如何，而且計(jì)算時(shí)必須始終將這兩頂?shù)挠绊懣紤]在內(nèi)。第2項(xiàng)到第4項(xiàng)是調(diào)整系統(tǒng)所特有的。

這3個(gè)高速效應(yīng)都隨被傳輸信號(hào)的大小而改變，信號(hào)返回電流越大，引起的地電位差越高，信號(hào)電壓越大，產(chǎn)生的串?dāng)_越多，而且傳輸信號(hào)越大，表現(xiàn)出的振鈴和反射越嚴(yán)重，這些對(duì)應(yīng)關(guān)系引導(dǎo)我們得出的結(jié)論：對(duì)于高速系統(tǒng)中第2項(xiàng)到第4項(xiàng)的影響，容限與影響的比就是電壓容限與輸出電壓幅度的比。用百分比計(jì)算比直接的電壓讀數(shù)更加直觀，更加方便，更能夠比較不同的邏輯系列產(chǎn)品之間的差別，噪聲容限的百分比等于以下兩個(gè)比值中的較小者：

10KH ECL邏輯的噪聲容限百分比是17.8%，而74ASTTL邏輯的噪聲容限百分比僅有9.1%，這一差別是ECL邏輯比TTL有更好的噪聲抗擾的依據(jù)，雖然ECL的實(shí)際電壓容限小于TTL，但相對(duì)于ECL電壓幅度的百分比較大。

當(dāng)然10KH系列的轉(zhuǎn)換速度比74AS系列產(chǎn)品快兩到三倍，較快的轉(zhuǎn)換時(shí)間加大了返回電流、串?dāng)_以及振鈴的問(wèn)題，總的來(lái)說(shuō)，與74AS系列相比，MC10KH系列更難抑制返回電流，串?dāng)_以及振鈴的問(wèn)題，但困難程度并非兩到三倍那么多。