涨知识：学电那么久，你知道什么是电平吗？

对于电力爱好者来说，只要一谈起电压、电流、或者是电功率都能很快的说出很多东西来。然而，当有人一提起“电平”的时候就未必都会知道了，即使我们经常听到同行谈到或者是在书上看到高电平、低电平、电平增益、电平衰减等等，也还是有人对它一窍不通。在我们电工经常用到的万用表上也都会有专门用来测量电平的方法以及刻线。那么，我们今天就来为大家科普一下关于“电平”的知识，希望那些对电平理解不清的小伙伴能从此篇文章中觅得一处捷径。

我们在刚开始学电的时候，常常会将我们看不见，摸不着的电比作水，就像我们把水流与电流相类比、水压与电压相类比、水阻与电阻相类比。那么我们今天讲解的“电平”也依然可以依葫芦画瓢，将其比作“水平”。水平指的是在某方面达到了某个高度，换言之就是事物在同样的条件下的比较结论。“电平”与它相类似，所以用“水平”来比喻“电平”能帮助大家更好地理解。

其实，“电平”就是指在电路中，两点或者是多个点在一样的阻抗下，它们之间电量的相对比值。我们这里提到的电量是指电功率或者是电压、电流之类的值倍数化之后，用名为“分贝”的单位来表示，符号用“dB”来表示分贝。业内通常将其记为：10lg(P2/P1)、20lg(U2/U1)、20lg(I2/I1)，其中，括号中的P、U、I也就是我们所说的电功率、电压、电流的缩写。

电平的单位用“dB”来表示有几个优点，如便于读写，提高计算速率等，此外，还可以更好地体现出人们对于声音的感觉。现实生活中，我们听觉响度与听到的音响分贝增加或减少息息相关，并且是正相关的关系。举个例子，就像蚊子嗡嗡作响的声音比战场上大炮的响声小100w倍，然而经过我们的耳朵后传递给我们个人的感觉之后60倍的差异，很多人不知道碰巧的是100万倍正是60dB。

CMOS器件的输入信号上升时间为什么不能太长？

CMOS器件的输入信号上升时间或下降时间统称为输入转换时间，输入转换时间过长也称为慢CMOS输入。如果输入信号上升时间过长，超过器件手册允许的最大输入转换时间，则有可能在器件内部引起大的电流浪涌，造成器件损坏或引起器件输出电平翻转（输入原本为0，输出为1；或者相反情况）。

1.慢CMOS输入或浮空CMOS输入的特征

CMOS和BiCMOS系列器件都有一个CMOS输入结构。该结构是一个反相器（包括连接VCC的一个p沟道晶体管和连接GND的一个n沟道晶体管），如图1所示。

备注：图1中的ABT器件采用BiCMOS技术，Q1是双极晶体管，Qp和Qn是CMOS管子，ABT器件的输入为CMOS反相器（又叫倒相器、非门（NOT gate，非电路）和逻辑否定电路）；关于CMOS反相器，参见文档《CMOS功耗和Cpd计算》。

当输入为低电平，p沟道晶体管导通，n沟道晶体管截止，电流从VCC流出，节点被拉高；当输入为高电平，p沟道晶体管截止，n沟道晶体管导通，电流流入GND，节点被拉低。在两种情况下，没有电流从VCC流到GND。然而，当从一个状态转换到另一个状态时，输入穿过阈值区域，使得n沟道晶体管和p沟道晶体管同时导通，在VCC与GND之间形成电流路径。该电流浪涌可能是破坏性的，它取决于输入在阈值区域（0.8~2V）的时间长度。每个输入的供电电流（ICC）能够升到几mA，ICC在输入（VI）约为1.5V时最大，见图2。

备注：当输入穿过阈值区域，在VCC与GND之间的电流路径也叫直通电流，直通电流会造成器件的瞬态功耗，详情参见文档《CMOS功耗和Cpd计算》。从图2中看出，当输入电压在阈值区域内（0.8~2V）时，供电电流存在浪涌。

当开关状态在数据手册指定的输入转换时间限值内时，电流浪涌不是问题。对于具体器件，在数据手册的推荐工作条件表中指定输入转换时间限值，例子如图3所示。

2.慢输入沿率

随着速度增加，逻辑器件已经对慢输入沿率更敏感。慢输入沿率与噪声（当输出开关时，在电源上产生）一起能够引起大量输出错误或振荡。如果没有用到的输入管脚悬空或者未保持在一个有效的逻辑电平值，类似现象也能够发生。

这些功能问题是由在器件电源系统引起的电压瞬态造成的，在开关过程中，当输出负载电流（IO）流过寄生引线电感时产生电压瞬态，见图4。

因为器件的内部电源节点用作整个集成电路的电压参考，感应电压尖峰VGND影响出现在内部门结构的信号方式【指VI′=VI-VGND】。例如，当器件地节点的电压升高时，输入信号VI′看起来在幅度上减小。如果发生阈值违背(指输入信号原本为高电平，由于VI′小于器件输入端高电平的阈值VIH，造成输出错判为低电平；反之亦成立)，这种不期望现象随后能够错误地改变输出。

对于一个慢的输入上升沿，如果在GND的电压变化足够大【VGND】，器件的相对输入信号VI′看起来被驱动返回穿过输入阈值区（0.8~2V），输出开始从相反方向开关(指0变成1，1变成0)。如果最坏情况（所有输出同时开关，造成瞬态负载电流较大）频繁发生(参见图2和图3)，慢输入沿被重复地驱动返回穿过阈值区，引起输出振荡。因此，不应该违背器件的最大输入转换时间，也就不会造成对电路或外部封装的损坏。

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