跟随人工智能看高速电路应用设计之——电平转换电路

硬件技术支持下的人工智能发展

人工智能技术随着国家《新一代人工智能发展规划》的启动实施，以及很多拥有强大技术实力的公司将概念变成了现实，人工智能已经成为当下最火的概念，中国的人工智能产业正迎来快速发展期。根据规划，2030年时我国人工智能理论、技术与应用总体要达到世界领先水平，智能经济、智能社会取得明显成效。

华为在今年基于旗下首款人工智能处理器麒麟970推出的荣耀V10 人工智能手机。

荣耀V10搭载人工智能芯片麒麟970，创新性集成NPU专用硬件处理单元，其AI性能大幅优于CPU和GPU。相较于四个Cortex-A73核心，处理相同AI任务，新的异构计算架构拥有约25倍性能和1/50功耗优势。以图像识别速度为例，麒麟970可达到约每秒33张图片，远高于业界同期水平。而这些给我们带来全新体验的人工智能技术都是高速电路且的要求这些电路速度越来越快、处理运算量也越来越大、可靠性也要求越来越高。

在这些高速电路中，有很多处理器，如创新性集成NPU专用硬件处理单元、中央处理器CPU、DDR4 SDRAM和电源管理系统PMU等，由于各个芯片的制作技术不用，如TTL电路集成的NPU与CMOS集成的PMU。他们之间的快速数据交换变需要电平转换电路。

1、为什么要加电平转换电路

逻辑电平阀值实例

1.1、TTL电路电平特点

输出 L： <0.8V ;”>

输入 L： <1.2V ;”>

输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V。

噪声容限是0.4V。

1.2、CMOS电路电平特点

输出 L： <0.1*Vcc ;”>

输入 L： <0.3*Vcc ;”>

1.3、TTL电路与CNOS电路比较

1.3.1、TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件

1.3.2、TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象

注意：COMS电路的锁定效应：COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

总结：一般情况下，需要查看技术手册上的VIL,VIH,VOL,VOH的值，决定是否能够匹配，决定是否能够匹配需满足两个条件

第一、发送方的Voh需大于接收方的Vih，且提供一定的噪声容限。

第二、发送方的Vol需小于接受方的Vil，且提供一定的噪声容限。

第三、双方的频率限制问题，发送方的电路支持的数据线上升速度应大于接受方的可支持的数据线上升速度，确定接受的数据是有效的数据。

2、电平转换电路常用的方式

2.1、OC（集电极开路）/OD（漏极开路）门实现逻辑电平转换

通过OC门上拉电路，TTL器件可以直接与CMOS电路直接连接。另外OC/OD门还常备用于低电平驱动高电平的场合。

OC门驱动COMS电路

2.2、通过MOS管构建双向电平转化电路

MOS管构建的双向电平转换电路

当SDA1/SCL1输出低电平时，MOS管导通，SAD2/SCL2输出低电平

当SDA1/SCL1输出高电平时，MOS管关闭，SAD2/SCL2输出高电平

当SDA1/SCL1输出OC时，MOS管关闭，SAD2/SCL2输出高电平

2.3、使用二极管构成的单向电平转换电路

3.3V到5V电平转换

5V到3.3V电平转换

这些电路，可以跑到频率高达500KHz的电路，但是对于功耗要求严格要慎重考虑，另外二极管也要选用开关频率高的，结电容小的。

2.4、三极管电路构成的电平转换电路

NPN管组成的转化电路

此电路对输入输出电平没有要求，在TTL电路中实用性很好。

仅适用于输入电平大于输出电平的电路

如果对低压幅值要求严格的，要使用饱和压降小的管子。

2.5、对转换频率很高的电路电平转换电路应使用专用芯片如FST16233、74LVC125A等。

专用的点评转换电路

要熟悉了解器件参数方能正确选型，如下图

74LVC125A推荐参数表

特别指出，Ioh/Iol是指输出高低电平时的电流，VCC越高，电流越大。

变压斜率是指对信号变化速率的要求。只有此参数符合，餐能有效的识别输入状态变化。