5种电平转换电路设计
电路一点通
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2024-09-13
一、两颗NMOS搭建的电平转换电路
我们两个设备或者芯片之间要进行I2C通讯，但他们I2C的电平不匹配，就需要增加电平转换电路了，这里我们用两颗NMOS管实现的I2C电平电路，从而实现3.3V电压域与5V电压域间的双向通讯。
R1和R2不一定是用10K电阻，也可以用4.7K的电阻，4.7K的上拉电阻，肯定比10K的驱动能力强，但它功耗会比10K的功耗高，所以一般情况下，我们只是两个芯片之间的电平转换，10K上拉电阻就可以满足了。像I2C总线，如果I2C总线上的设备有3个或以上，我们为了提供它的驱动能力，也是可以将上拉电阻改到4.7K或者2.2K都是可以的。我们看看它的工作原理，这里以SCL为例：1）当3.3V_SCL输出高电平时，Q1的Vgs = 0，MOS管截止，5V_SCL被R3上拉到5V,所以5V_SCL为高；2）当3.3V_SCL输出低电平时，Q1的Vgs = 3.3V，MOS管导通，5V_SCL被MOS管拉低,所以5V_SCL为低；3）当5V_SCL输出高电平时，Q1的Vgs不变，MOS管截止，3.3V_SCL被R1上拉到3.3V,所以3.3_SCL为高；4）当5V_SCL输出低电平时，Q1的Vgs不变，MOS管截止，但通过MOS管的自身寄生二极管将3.3V_SCL拉到低电平，所以3.3_SCL为低；
我们这里讲解的是3.3V电压域与5V电压域，如果是2.5V、1.8V的电压域，设计的时候一定要考虑MOS管的Vgs开启导通电压是否满足。
二、两颗NPN三极管搭建的电平转换电路
我们这里用三极管来搭建UART通讯的电平转换电路，从电路模型上看跟MOS管的差不多，只是我们需要在三极管的b极串一个限流电阻。我们看看它的工作原理，这里以Q5这组为例：1）当5V_TXD输出高电平时，Q5的Vbe < 0.7V，三极管截止，3.3V_RXD被R5上拉到3.3V,所以3.3V_RXD为高；2）当5V_TXD输出低电平时，Q5的Vbe > 0.7V，三极管导通，3.3V_RXD通过三极管被5V_TXD拉低，所以3.3V_RXD为低；
三、二极管钳位搭建电平转换电路
其实用二极管钳位法来搭建的电平转换电路，在工作中也经常在用。
我们来看看它的工作原理：1）当3.3V_TXD输出高电平时，D2截止，5V_RXD被R14上拉到5V,同时又被D1钳位到3.3V，所以5V_RXD为高，即A点电平大概为4V左右；2）当3.3V_TXD输出低电平时，D2导通，5V_RXD被D2拉低,所以5V_RXD为低，即A点电平大概为0.3V左右；
3）当5V_TXD输出高电平时，通过二极管D3钳位到3.3V,所以3.3V_RXD为高，即B点电平大概为3.6V左右；4）当5V_TXD输出低电平时，D3不导通,直接通过电阻R15将3.3V_RXD拉低，所以3.3V_RXD为低；
这个电路虽然成本低，漏电流小；但它电平还是存在一定的误差，因为二极管都有一个正向压降，所以要正确的选择二极管，并且电平不能超出芯片正常工作的电平，还有一个缺点就是由于限流电阻会对速度有影响，所以建议此电平转换在100KHz的通讯下使用。
四、二极管和MOS管组合的电平转换电路
为了解决纯二极管搭建电平转换的缺陷，我们将电路做了优化，用一颗二极管和一颗MOS管一起组合搭建一个电平转换电路，如下图，提醒一下读者，我们抖音和西瓜视频都有视频讲解。这个电路在UART通讯的应用中，我经常在用。一般用在波特率115200是完全没有问题。
我们来看看它的工作原理：1）当3.3V_TXD输出高电平时，D5截止，1.8V_RXD被R24上拉到1.8V,所以1.8V_RXD为高，即C点电平大概为1.8V左右；2）当3.3V_TXD输出低电平时，D5导通，1.8V_RXD被D5拉低,所以1.8V_RXD为低，由于二极管的压降，所以C点低电平大概为0.3V左右；3）当1.8V_TXD输出高电平时，Q4截止，3.3V_RXD被R25上拉到3.3V,所以3.3V_RXD为高，即D点电平大概为3.3V左右；4）当1.8V_TXD输出低电平时，Q4导通，3.3V_RXD被Q4拉低,所以3.3V_RXD为低，即D点电平大概为0V左右；
五、电平转换芯片
为了稳定和可靠性，很多时候我们都会选择电平转换芯片，用它最省事！我们只需要分别给VCCA和VCCB供上两个不同的电平，那对应的A口也就输出VCCA一样的电平，同理，B口输出的电平跟VCCB的一样，以往我们用一些独立元件搭建的电平转换电路，都只需要一颗芯片就可以实现。在使用电平转换芯片需要注意一点的是，一般是VCCB > VCCA，也就是说VCCB要用在电平高的一侧，VCCA用在电平低的一侧，使用的时候，具体看一下电平转换芯片的Datasheet。
上图中，我们没有给电平转换芯片标明具体的型号，是因为这类芯片有很多个品牌，小编没有理由给某个品牌去打广告。
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