FPGA 常用 I/O 电平标准有哪些?
在 FPGA 的神奇世界里，I/O 电平标准就像魔法咒语，掌控着芯片与外界交流的方式。对于初涉 FPGA 领域的小白来说，这些标准可能有点神秘莫测，但别担心，今天我就用最通俗易懂的方式为你揭开它们的面纱。
一、电平标准的魔法世界
1、为什么电平标准如此重要？
想象一下，FPGA 就像一个超级智能的城堡，它需要与外界（各种电子设备）进行信息交换。
而电平标准就是城堡与外界沟通的语言规则。
如果没有统一的电平标准，就好比城堡里的人说一种语言，外面的人说另一种语言，信息就无法准确传递，整个系统就会陷入混乱。
2、数字电路中的电平表示
在数字电路里，我们用电压来代表“0”和“1”这两个数字。
这就像用灯光的亮灭来传递信号一样，只不过这里是用电压的高低。
不同的电平标准规定了不同的电压范围来表示“0”和“1”。
3、常见电平标准的大家族
FPGA 常用的电平标准有很多成员，比如 TTL、LVTTL、CMOS、LVCMOS、LVDS 等等。
每个成员都有自己独特的特点和适用场景，接下来我们就一个一个地认识它们。
二、TTL 电平标准的传奇
1、基本特性
TTL（Transistor - Transistor Logic，三极管 - 三极管逻辑电平）可是电平标准家族中的元老级成员。
它的标准电源供给电压是 5V。
在输出端，当电压大于等于 2.4V 时，就代表逻辑“1”；小于等于 0.5V 时，就是逻辑“0”。
在输入端，电压大于等于 2.0V 被判定为逻辑“1”，小于等于 0.8V 则为逻辑“0”。
2、应用场景与局限
以前，TTL 在很多数字电路中都有广泛应用，尤其是在一些早期的电子设备中。但是，它也有一些小缺点。
比如说，在 2.4V 到 5V 之间的电压空间比较大，这就像给了信号一个比较宽松的“活动范围”，但也容易造成一些信号的不稳定性。
而且，5V 的电源电压在现代一些对功耗要求较高的设备中显得有点高了，就像一个大功率的灯泡，比较耗电。
三、LVTTL 电平标准的革新
1、3.3V LVTTL 的特点
为了解决 TTL 的一些问题，LVTTL（Low Voltage Transistor - Transistor Logic，低压 TTL 电平标准）应运而生。
LVTTL3.3V 的电源供给电压降低到了 3.3V，这就像是把灯泡换成了更节能的小功率灯。
输出端，逻辑“1”的电压要求大于等于 2.4V，逻辑“0”小于等于 0.4V；
输入端，逻辑“1”判定大于等于 2.0V，逻辑“0”小于等于 0.8V。
2、2.5V LVTTL 的不同
LVTTL2.5V 则更加“节能”，电源供给为 2.5V。
输出端逻辑“1”电压大于等于 2.0V，逻辑“0”小于等于 0.2V；
输入端逻辑“1”大于等于 1.7V，逻辑“0”小于等于 0.7V。
LVTTL 因为电压降低了，所以功耗也相应降低，而且在信号稳定性方面也有一定提升，在很多现代的中低速数字电路中得到了广泛应用。
四、CMOS 与 LVCMOS 电平标准的魅力
1、CMOS 的特性
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体电平）也是一位重要成员。
它的标准电源供给同样是 5V。
输出端，逻辑“1”要求电压大于等于 4.45V，逻辑“0”小于等于 0.5V；
输入端，逻辑“1”判定大于等于 3.5V，逻辑“0”小于等于 1.5V。
CMOS 的优点是功耗比较低，就像一个智能的电源管理器，能根据电路的工作状态自动调整功耗。
2、LVCMOS 的优势与应用
LVCMOS（Low Voltage Complementary Metal Oxide Semiconductor，低压 CMOS 电平标准）则在 CMOS 的基础上进一步优化。
LVCMOS3.3V，电源供给 3.3V，输出端逻辑“1”大于等于 3.2V，逻辑“0”小于等于 0.4V；输入端逻辑“1”大于等于 2.0V，逻辑“0”小于等于 0.7V。
LVCMOS2.5V ，电源供给 2.5V，输出端逻辑“1”大于等于 2.0V，逻辑“0”小于等于 0.4V；输入端逻辑“1”大于等于 1.7V，逻辑“0”小于等于 0.7V。
LVCMOS 家族在现代的低功耗、中低速数字电路中非常受欢迎，像一些便携式设备、小型智能硬件等都经常能看到它们的身影。
五、LVDS 电平标准的独特之处
1、高速低功耗的特性
LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低压差分信号）可是个“速度达人”。
它的电压摆幅非常小，只有 350mV 左右，电流也只有 3.5mA 左右。
这就像一个轻巧敏捷的运动员，能够以超快的速度传输数据，而且功耗还超低。
它采用差分信号传输方式，就像两个人一起传递信息，一个人说正的，一个人说反的，接收方通过比较两人的话来确定信息内容，这样可以大大提高抗干扰能力。
2、广泛的应用领域
因为 LVDS 的这些优点，它在很多高速数据传输的场景中得到了广泛应用，比如高清视频传输、高速通信接口等。
在高清视频监控系统中，摄像头采集到的海量视频数据需要快速、准确地传输到后端处理设备，LVDS 就能完美胜任这个任务。
六、注意事项
在实际使用 FPGA 的 I/O 电平标准时，我们需要注意以下几点：
1、根据需求选择合适标准
首先要仔细分析你的设计需求，看看需要连接的外部设备支持哪种电平标准，然后在 FPGA 中选择与之匹配的电平标准，这样才能确保信息的准确传递。
2、查阅芯片手册
不同的 FPGA 芯片对电平标准的支持情况可能会有所不同，所以一定要认真查阅相关芯片手册，了解芯片的具体能力和限制。
3、关注高速信号传输要求
如果涉及到高速信号传输，像使用 LVDS 等电平标准时，要特别注意信号完整性。
这包括合理的布线、阻抗匹配等，就像为高速跑车修建一条平坦、宽阔且没有干扰的赛道，这样才能让信号快速、稳定地传输。
4、重视电平标准兼容性
在一个复杂的系统中，可能会有多种不同电平标准的设备相互连接，这时候就需要考虑电平标准之间的兼容性。
可以通过电平转换芯片等方式，让不同“语言”的设备能够顺利沟通。
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