คำนำ
เมื่อเราจำกัดโครงการ FPGA เรามักจะเห็นมาตรฐานระดับดังกล่าว เช่น LVCOM18, LVCOS25, LVDS, LVDS25 เป็นต้น อันที่จริงแล้ว สิ่งเหล่านี้คือชุดของมาตรฐานระดับ เพื่อให้มีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับมาตรฐานระดับ ข้อความที่ตัดตอนมาจากหนังสือ "The FPGA Way" ต่อไปนี้เพื่ออธิบายมาตรฐานระดับให้เข้าใจ

มาตรฐานเกณฑ์คู่

มาตรฐานที่เรียกว่า dual-threshold ใช้สำหรับวงจรดิจิตอล วงจรดิจิตอลแสดงระดับของ 1 และ 0 สองสถานะเท่านั้น ในวงจรจริงคุณต้องตกลงกันว่าแรงดันไฟฟ้าสำหรับ 1 เป็นเท่าใด แรงดันไฟฟ้าชนิดใดสำหรับ 0 . วงจรดิจิทัลในเกณฑ์คู่ถูกกำหนดไว้ เช่น TTL

มาตรฐานระดับอินเทอร์เฟซ:

สำหรับเอาต์พุต ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.4V และข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.5V

สำหรับอินพุต สถานะ 1 จะต้องมากกว่าหรือเท่ากับ 2.0V และสถานะ 0 จะต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.8V
ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องมีค่าเกณฑ์ที่มากกว่าค่าที่กำหนดเพื่อระบุระดับ 1 และค่าเกณฑ์ที่น้อยกว่าค่าที่กำหนดจำเป็นต้องระบุระดับ 0
มาตรฐานระดับอินเทอร์เฟซบางอย่างมีรายละเอียดอธิบายไว้ด้านล่าง:

TTL
TTL เป็นตัวย่อสำหรับ Transistor-Transistor Logic และอย่างที่คุณเห็นจากชื่อของมัน จุดประสงค์เดิมของมาตรฐานระดับอินเทอร์เฟซนี้คือการใช้ระหว่างระบบดิจิทัลตามโครงสร้างของทรานซิสเตอร์

วงจรดิจิตอลที่ทำงานภายใต้มาตรฐานอินเทอร์เฟซ TTL ควรมีแหล่งจ่ายไฟมาตรฐาน 5V สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานภายใน โดยมีเงื่อนไขเอาต์พุตและอินพุตต่อไปนี้:
สำหรับเอาต์พุต ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.4V และ ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.5V;

สำหรับขั้วอินพุต ข้อกำหนดในการวินิจฉัยของสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.0V และข้อกำหนดในการวินิจฉัยของสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.8V การเปรียบเทียบข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

จะเห็นได้ว่าข้อกำหนดเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตมากกว่าด้านอินพุตของมาตรฐานการกำหนดวาล์วคู่นั้นเข้มงวดกว่า
ซึ่งส่วนใหญ่จะคำนึงถึงการรบกวนของเสียงรบกวนและความเร็วในการส่งสัญญาณไฟฟ้าระหว่างเอาต์พุตและอินพุต เพื่อให้มาตรฐานการกำหนดวาล์วคู่มีความน่าเชื่อถือมากขึ้น

LVTTL

เนื่องจากมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่าง 2.4V และ 5V ซึ่งไม่ได้มีประโยชน์อย่างมีนัยสำคัญในการปรับปรุงการรบกวนทางเสียง แต่ยังเพิ่มการใช้พลังงานของระบบ และเนื่องจากความแตกต่างในระดับมากระหว่างสถานะดิจิตอล 1, 0 แต่ ยังส่งผลต่อความเร็วตอบสนองของวงจรดิจิตอลด้วย ดังนั้นต่อมาในช่วงแรงดันไฟฟ้า TTL สำหรับการบีบอัดบางส่วนจึงสร้าง LVTTL - ทรานซิสเตอร์แรงดันต่ำ-ทรานซิสเตอร์ลอจิก นั่นคือมาตรฐานระดับ TTL แรงดันต่ำ ข้อมูลต่อไปนี้จะอธิบายมาตรฐาน LVTTL สองมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน:

LVTTL3V3
LVTTL3V3 หมายความว่าแหล่งจ่ายไฟมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานภายในคือ 3.3V และเงื่อนไขเอาต์พุตและอินพุตเป็นดังนี้:
สำหรับเอาต์พุต ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.4V และข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้า สำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.4V;

สำหรับอินพุต ข้อกำหนดในการตัดสินสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.0V และข้อกำหนดในการตัดสินสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.8V
การเปรียบเทียบข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสามารถมองเห็นได้ เพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของการกำหนดสองวาล์วและการป้องกันสัญญาณรบกวน ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตยังคงเข้มงวดมากกว่าด้านอินพุตของการกำหนดสองวาล์วของมาตรฐาน จุดนี้เหมือนกันสำหรับมาตรฐานอินเทอร์เฟซระบบดิจิทัลทั้งหมด และจะไม่ทำซ้ำในภายหลัง

LVTTL2V5
LVTTL2V5 หมายความว่าแหล่งจ่ายไฟมาตรฐานของอุปกรณ์ที่ใช้งานภายในคือ 2.5V และเอาต์พุตและอินพุตมีดังนี้:
สำหรับเอาต์พุต ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.0V และข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับ สถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.2V;
สำหรับอินพุต ข้อกำหนดในการกำหนดสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 1.7V และข้อกำหนดในการกำหนดสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.7V

CMOS
CMOS เป็นตัวย่อของ Complementary Metal Oxide Semiconductor และจากการตั้งชื่อ จะเห็นได้ว่าจุดประสงค์เดิมของมาตรฐานระดับอินเทอร์เฟซนี้ใช้ระหว่างระบบดิจิทัลที่ใช้ NMOS, PMOS ที่ประกอบด้วยโครงสร้างหลอด MOS
วงจรดิจิตอลที่ทำงานภายใต้มาตรฐานอินเทอร์เฟซ CMOS มีแหล่งจ่ายไฟมาตรฐาน 5V สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานภายใน และเงื่อนไขเอาต์พุตและอินพุตมีดังนี้: สำหรับด้านเอาต์พุต ความต้องการแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ
1 มากกว่าหรือเท่ากับ 4.45V และข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.5V

สำหรับด้านอินพุต ข้อกำหนดในการตัดสินของสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 3.5V และข้อกำหนดในการตัดสินของสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.5V

CMOS มีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนที่ใหญ่กว่ามากเมื่อเทียบกับอินเทอร์เฟซ TTL และอิมพีแดนซ์อินพุตนั้นใหญ่กว่าอิมพีแดนซ์อินพุต TTL มาก

LVCOMS
เช่นเดียวกับ TTL, CMOS ได้สร้างมาตรฐานอินเทอร์เฟซ LVCMOS ในทำนองเดียวกันเมื่อพิจารณาถึงการใช้พลังงานและความเร็วในการตอบสนอง และเนื่องจากหลอด MOS มีเกณฑ์การเปิดเครื่องที่ต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ LVCMOS จึงสื่อสารได้ง่ายกว่าโดยใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า LVTTL ข้อมูลต่อไปนี้จะอธิบายมาตรฐาน LVTTL หลายมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน:

LVCOMS3V3
LVCMOS3V3 หมายความว่าแหล่งจ่ายไฟมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานภายในนั้นจ่ายไฟที่ 3.3 V เงื่อนไขเอาต์พุตและอินพุตมีดังนี้:
สำหรับด้านเอาต์พุต ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 3.2V และ ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.4V;
สำหรับอินพุต ข้อกำหนดในการกำหนดสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.0V และข้อกำหนดในการกำหนดสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.7V

LVCOMS2V5
LVCMOS2V5 หมายความว่าแหล่งจ่ายไฟมาตรฐานของอุปกรณ์ที่ใช้งานภายในนั้นจ่ายที่ 2.5V และเงื่อนไขเอาต์พุตและอินพุตจะเป็นดังนี้:
สำหรับด้านเอาต์พุต ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 2.0V และ ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.4V;
สำหรับอินพุต ข้อกำหนดในการกำหนดสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ 1.7V และข้อกำหนดในการกำหนดสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.7V

LVCOMS1V8
LVCMOS1V8 หมายความว่าแหล่งจ่ายไฟมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานภายในคือ VCC=1.8V ซึ่งแน่นอนว่ามีพิกัดความเผื่ออยู่บ้าง แต่ไม่เหมือนกับมาตรฐานระดับที่แนะนำก่อนหน้านี้ พิกัดความเผื่อนี้ส่งผลต่อสภาวะเอาต์พุตและอินพุต ซึ่งมีการแนะนำดังนี้:
สำหรับเอาต์พุต ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 1 มากกว่าหรือเท่ากับ VCC-0.45V (หรือ 1.35V หาก VCC เท่ากับ 1.8V อย่างแน่นอน) และข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับสถานะ 0 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.45V
สำหรับอินพุต การกำหนดสถานะ 1 ต้องการมากกว่าหรือเท่ากับ 0.65 เท่าของ VCC (หรือ 1.17V ถ้า VCC เท่ากับ 1.8V อย่างแน่นอน) และการกำหนดสถานะ 0 ต้องการน้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.35 เท่าของ VCC (หรือ 0.63 V ถ้า VCC เท่ากับ 1.8V อย่างแม่นยำ)

LVCOMS1V5
ความหมายของ LVCMOS1V5 กล่าวคือ แหล่งจ่ายไฟมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานภายในคือ VCC=1.5V และความทนทานยังส่งผลต่อสภาวะเอาต์พุตและอินพุตด้วย ตามที่อธิบายไว้ด้านล่าง: สำหรับด้านเอาต์พุต LVCMOS1V5 ไม่มีข้อกำหนดที่
ชัดเจน แต่แน่นอนว่ายิ่งสถานะ 1 อยู่ใกล้ VCC มากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น และยิ่งสถานะ 0 ใกล้ถึง 0V มากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น
สำหรับด้านอินพุต การกำหนดสถานะ 1 จะต้องมากกว่าหรือเท่ากับ 0.65 เท่าของ VCC (หรือ 0.975V ถ้า VCC เท่ากับ 1.5V อย่างแน่นอน) และการกำหนดสถานะ 0 จะต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ ถึง 0.35 เท่าของ VCC (หรือ 0.525V ถ้า VCC เท่ากับ 1.5V อย่างแม่นยำ)

LVCOMS1V2
LVCMOS1V2 หมายความว่าแหล่งจ่ายไฟมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานภายในนั้นมาพร้อมกับ VCC=1.2V และพิกัดความเผื่อของแหล่งจ่ายไฟยังส่งผลต่อสภาวะเอาต์พุตและอินพุตตามที่อธิบายไว้ด้านล่าง: สำหรับด้านเอาต์พุต LVCMOS1V2 ยังไม่มีข้อกำหนดที่ชัดเจนเช่น
กัน แต่แน่นอนว่า ยิ่งสถานะ 1 อยู่ใกล้ VCC มากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น และยิ่งสถานะ 0 ใกล้ถึง 0V มากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น
สำหรับด้านอินพุต การกำหนดสถานะ 1 จะต้องมากกว่าหรือเท่ากับ 0.65 เท่าของ VCC (หรือ 0.78V ถ้า VCC เท่ากับ 1.2V อย่างแน่นอน) และการกำหนดสถานะ 0 จะต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ ถึง 0.35 เท่าของ VCC (หรือ 0.42V ถ้า VCC เท่ากับ 1.2V อย่างแม่นยำ)

LVDS
เป็นตัวย่อของการส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแรงดันต่ำ เช่น การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแรงดันต่ำ และอินพุตและเอาต์พุตแตกต่างจากระดับอินเทอร์เฟซที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ และต้องใช้สายไฟสองเส้นในการสื่อสารให้สมบูรณ์ หลักการทำงานของมันดังแสดงในรูปด้านล่าง:

ใส่คำอธิบายรูปภาพที่นี่
ส่วนด้านซ้ายของรูปด้านบนคือเอาต์พุต LVDS ซึ่งมี IS แหล่งกำเนิดกระแสคงที่ภายในซึ่งส่งออกค่ากระแสประมาณคงที่ 3.5-4mA Vout ขวาสุดเชื่อมต่อกับอินพุตของ LVDS และตัวต้านทานที่ตรงกันที่มีค่าความต้านทาน 100 โอห์มเชื่อมต่อแบบขนานใกล้กับอินพุต R โดยการเปลี่ยนตำแหน่งของมีดคู่ สวิตช์ double-throw ในรูปด้านบน ทิศทางของกระแสบนเส้นดิฟเฟอเรนเชียลจะเปลี่ยนเพื่อระบุสถานะดิจิตอล 0 และ 1 เพื่อให้เส้นดิฟเฟอเรนเชียลที่ปลายรับจะแสดงระดับดิฟเฟอเรนเชียล ±350mV เนื่องจากความแตกต่างในทิศทางของกระแส และใช้ เป็นการตัดสินสถานะดิจิทัลในทางกลับกัน ดังนั้นระดับดิฟเฟอเรนเชียล ± 350mV จะแสดงบนดิฟเฟอเรนเชียลไลน์ที่เครื่องรับเนื่องจากความแตกต่างในทิศทางปัจจุบัน และจะใช้เป็นพื้นฐานในการกำหนดสถานะดิจิทัล นอกจากนี้ยังมีแหล่งกำเนิดแรงดันไบอัส DC VS ทางด้านขวาของรูปด้านบน ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เพื่อแสดงให้เห็นว่าปลายทั้งสองด้านของ Vout โดยทั่วไปแล้วเป็นแรงดันไฟฟ้าบวก และไม่มีรายการดังกล่าวในวงจรจริง เนื่องจากการแกว่งของแรงดันไฟฟ้าของ LVDS อยู่ที่ประมาณ 350mV เท่านั้น กระแสไฟฟ้าเพียงประมาณ 3.5mA และการส่งผ่านแบบดิฟเฟอเรนเชียล จึงมีความเร็วสูง การใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ สัญญาณรบกวนต่ำ ต้นทุนต่ำ และลักษณะที่ดีอื่นๆ

RS232
RS232 คือ EIA ของสมาคมอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์แห่งสหรัฐอเมริกา (หรือที่เรียกว่า Electronic Industry Association) ได้พัฒนามาตรฐานอินเทอร์เฟซทางกายภาพแบบอนุกรม RS เป็นตัวย่อของมาตรฐานที่แนะนำ ซึ่งเป็นความหมายภาษาจีนของมาตรฐานที่แนะนำ 232 สำหรับหมายเลขประจำตัว มาตรฐานบัส RS232 มีสายสัญญาณทั้งหมด 25 เส้น ที่นี่ ! เราจะหารือเฉพาะมาตรฐานการกำหนดอินเทอร์เฟซระดับดิจิทัลเท่านั้น
แหล่งจ่ายไฟมาตรฐานของ RS232 คือ ±12V หรือ ±15V ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าของสถานะ 1 อยู่ระหว่าง -15V ถึง -3V และข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าของสถานะ 0 อยู่ระหว่าง 3V ถึง 15V

RS485
RS485 เทียบเท่ากับรุ่นอัพเกรดของ RS232 ซึ่งคล้ายกับ LVDS โดย RS485 ยังใช้รูปแบบของส่วนต่างในการถ่ายโอนข้อมูล (แต่จริงๆ แล้ว RS485 ส่งสัญญาณแรงดันไฟฟ้าสองตัวไปยังอดีต) ดังนั้นการป้องกันการรบกวนจึงดีกว่า RS232 ที่นี่ เรายังกังวลเฉพาะเกี่ยวกับมาตรฐานการกำหนดอินเทอร์เฟซระดับดิจิทัลเท่านั้น

RS485 สถานะ 1 ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างสองบรรทัดจะต้องอยู่ระหว่าง 2V และ 6V; สถานะ 0 ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างสองบรรทัดจะต้องอยู่ระหว่าง -6V ถึง -2V

สามารถผสมมาตรฐานที่แตกต่างกันได้หรือไม่?

ข้อมูลข้างต้นแนะนำมาตรฐานระดับอินเทอร์เฟซที่หลากหลายระหว่างระบบดิจิทัล ซึ่งโดยปกติจะมีการใช้งานอยู่ แต่ขอแนะนำอย่างยิ่งให้คุณเลือกมาตรฐานเดียวกันสำหรับอินเทอร์เฟซระบบดิจิทัลทั้งสองด้าน อย่างไรก็ตาม บางครั้งถูกจำกัดด้วยการกำหนดค่าบางอย่างของทั้งสองฝ่าย อาจไม่สามารถหามาตรฐานการสื่อสารระดับรวมได้ แล้วนอกเหนือจากการออกแบบแผงวงจรแปลงอินเทอร์เฟซนอกเหนือจากวิธีอื่นแล้ว ไม่ จริงๆ แล้ว มาตรฐานระดับอินเทอร์เฟซที่แตกต่างกันบางรายการสามารถใช้งานร่วมกันได้

ประการแรก single-ended และ differential เข้ากันไม่ได้ เนื่องจากการเชื่อมต่อทางกายภาพไม่เหมือนกัน แต่สำหรับอินเทอร์เฟซชนิดเดียวกัน หากเอาต์พุตของมาตรฐานระดับ A สอดคล้องกับอินพุตของมาตรฐานระดับ B ก็ว่ากันว่าเอาต์พุตของ A สามารถขับเคลื่อนอินพุตของ B ได้ หากในทางกลับกันก็กล่าวได้ว่า สองมาตรฐานระดับ A และ B สามารถขับเคลื่อนซึ่งกันและกันได้ ตัวอย่างเช่นเอาต์พุต CMOS สามารถขับเคลื่อนอินพุต TTL ได้ แต่ไม่ใช่ในทางกลับกันเนื่องจากเอาต์พุตสถานะ TTL 1 มีค่ามากกว่าหรือเท่ากับ 2.4V เท่านั้นและไม่สามารถเข้าถึงสถานะการวินิจฉัย CMOS 1 จะต้องมากกว่าหรือเท่ากับ 3.5V; อย่างไรก็ตาม LVTTL3V3 และ LVCMOS3V3 สามารถขับเคลื่อนซึ่งกันและกันได้ เนื่องจากเอาต์พุตสามารถตอบสนองความต้องการของการตัดสินใจอินพุตของกันและกัน