串行接口通常用于不同集成电路之间的板级通信，特别是在低到中等数据速率的空间受限应用中。最流行的串行接口是I²C和SPI 。

本应用笔记描述I²C和SPI以及与它们相连的一些电平转换电路。

spi总线有4个信号:active-low CS = active-low Chip select, SCLK = Clock, D(IN) = Data IN, D(OUT) = Data OUT。

图1说明了这些信号的时序。spi规范有一个时钟极性(CPOL)和一个时钟相位(CPHA)位。图1涉及到这些位的最常见组合，CPOL = 0(上升时钟沿上的数据传输)和CPHA = 0(位计时中间的时钟转换)。

多个设备可能连接到同一总线，其中所有设备共享D(IN)和sclk线。每个设备都有一个单独的芯片选择信号，因此µP可以通过相关的低电平CS信号寻址相应的部分。如果芯片不与μ P(例如，DAC)对话，则不需要D(OUT)线。spi总线非常适合20Mbps的数据速率。一些设备(例如，像MAX6901这样的rtc)有一个3线接口，其中数据线是双向的。该接口类似于SPI。

I²c总线有2个信号:SCL =时钟和SDA =数据输入/输出。

图2说明了I²c总线的时序。每个设备都有一个唯一的7位或10位地址。由于数据线是双向的，只需要2根电线，这在空间有限的应用中或在电路的不同部分必须光隔离的设计中是一个优势。I²c总线的数据速率为100kbps、400kbps，高速模式的数据速率甚至为µP到3.4Mbps。I²c总线需要上拉电阻R(P)，其中R(P)的值取决于电源电压和总线电容(连接到总线的设备数量和总线长度)。

如果系统对μ P和外围设备具有不同的电源电压，则需要合适的电平转换器才能使用这些串行接口之一。今天的系统有两个或更多的供电电压有几个原因。高速微处理器和dsp采用最先进的工艺，以最低的功耗获得最大的性能。这些工艺通常限于3V或更低的电源电压。典型的芯电压为1.5V-2.5V。另一方面，像da和ad转换器这样的I/ o设备可能具有3.3V或5V的电源电压来实现所需的动态范围。在便携式和低功耗应用中，让µP以尽可能低的电源电压运行还有另一个原因。典型微处理器的电流消耗取决于时钟频率和电源电压。因此，实现低电流消耗的一种方法是降低电源电压。这也会导致µP从不同于其他设备的电源运行的情况。不同电源电压的另一个原因可能是将asic或fpga与µP一起使用。对于所有这些应用，设计人员需要为总线信号提供单向或双向电平转换器。

图3显示了一个带有n沟道MOSFET的基本电平转换器。如果Q2和Q3都没有拉低数据线，Q1的VGS为0V，数据1.8的电平为1.8 v，数据3.3为3.3 v。如果Q2将数据1.8拉低，Q1的VGS为1.8 v, Q1导通，将数据3.3拉低。如果Q3将数据3.3拉低，则Q1的主体二极管将正向偏置，将源拉到0.3V。VGS为1.5V, Q1导通，将Data 1.8拉低。所以逻辑层次是双向转换的。我们假设Q2的导通电阻为零。对于实际应用，我们必须考虑导通电阻，对于I²c兼容输出(3mA时0.4V)，其最坏情况为133欧姆，对于74LVC125缓冲器(24mA时0.55V)，其最坏情况为22欧姆。在这种情况下，接通Q1的电压VGS将不再是1.8V，而是更低，这取决于R1和Q1的导通电阻。

这个电路有几个问题:

1. 在VL为1.8V或更低的情况下，VGS阈值电压足够低的mosfet的选择相当有限。其中一个候选可能是Supertex公司的TN2501。

2. 旋转速率和最大传输速率取决于R1/R2的值和总线上设备的数量，这决定了电容。可以通过选择较低值电阻R1/R2来提高最大传输速率。这将导致更高的电流消耗，这在便携式/低功耗应用中是不希望的。

3. 使用这个简单的电路，不可能使总线处于三态并断开R1/R2。因此，人们不能关闭公共汽车的某些部分。

MAX3372E-MAX3393E系列电平转换器解决了这些问题。图4显示了MAX3373E的简化原理图，其中增加了两个mosfet Q4和Q5。Q4和Q5在上升沿期间短暂关闭，加速了从低到高的转变。MAX3373E的最低保证数据速率为8Mbps，如果|V(CC) - V(L)| <0.8 v。该系列电平转换器具有三状态模式，其中上拉电阻断开。这使得它们非常适合用于多滴网络或控制具有相同地址的I²c设备，这些设备位于网络的不同部分，它们通过电平转换器解耦。

V(CC)侧的数据线是±15kV防静电保护的，这在连接器上可以访问总线和可能发生静电打击的应用中是一个有价值的功能。如果温度超过150°C，热关闭电路将这些电平转换器置于三状态模式。

典型的应用

图5显示了MAX3390E电平转换器在电池供电的测量电路中的典型应用。MAX4194低功耗仪表放大器放大来自电桥的信号。信号由MAX1270进行ad转换，MAX1270是一个12位8通道ADC。前端电源电压为5V，低功耗µP电源为2.5V。MAX3390E电平将SPI信号从2.5V转换为5V，将D(OUT)信号从5V转换为2.5V。

图6显示了一个带有I²c总线的类似应用程序。MAX3373E双电平转换器用于将μ P I/O电平连接到MAX1236(4通道12位ADC)的I²c兼容接口。

根据总线上设备的数量，可能需要选配上拉电阻R(PP)。MAX3372E-MAX3393E系列电平转换器具有内部10k欧姆上拉电阻。在图7中，我们可以看到，假设我们不连接可选电阻R(S)(R(S) = 0)，这对于约90pF的总线电容是足够的。

如果同一母线上有多个器件，或者母线比较长(>30cm)，则需要使用外部上拉电阻R(PP)。图8显示了R(P)的最小值，当R(S) = 0, V(DD) = 5V时，R(P)的最小值为1.7k欧姆。由此我们发现R(PP)的最小值为2.2k欧姆，因此R(PP)与10k欧姆的内部上拉平行为1.83k欧姆。

总之，MAX3372E-MAX3393E是解决低压系统中I²C或SPI总线电平转换问题的理想解决方案。保证的数据速率、低功耗要求、低供电电压可操作性和小封装有助于解决当今设计人员在总线架构中面临的许多问题。