3.3V与5V逻辑电平何如转换

只看该作者 · 2023-8-27 19:00

不同的芯片，有的是3.3V逻辑电平，有的是5V逻辑电平，还有的是1.8V，像GPRS模块一般为2.8V,如果要使不同逻辑电平之间的芯片进行通信或者控制，就需要用到逻辑电平转换了。市面上有专用的逻辑电平转换芯片，但是价格较贵，本文介绍了一种由MOS管构成的低成本逻辑电平转换电路。

2. 电路简介

上图中，S1，S2为两个信号端，VCC_S1和VCC_S2为这两个信号的高电平电压。该电路的应用条件为:

1，VCC_S1<=VCC_S2

2，S1的低电平门限大于0.7V左右(视NMOS内的二极管压降而定)

3，MOS管Vgs<=VCC_S1

4，MOS管Vds<=VCC_S2

对于3.3V和5V/12V等电路的相互转换，根据应用条件NMOS管选择2N7002、BSN20、2SK3016、AO3400等即可。

2.1 电路功能：

本电路主要由NMOS管构成，可实现3.3V与5V、1.8V与3.3V逻辑电平的双向转换，且不需要方向选择信号，而且还能将掉电的总线部分和剩下的总线系统隔离开来，保护低压器件防止高电压器件的高电压毛刺。例如可应用于I2C总线系统中3.3V与5V电平的双向转换。

3.3V与5V逻辑电平转换

NMOS逻辑电平转换电路原理：

状态1：初始状态或空闲状态，当总线上没有数据传输时（S1、S2都为高电平时）：

总线上没有数据传输时，S1经上拉电阻R3上拉到3.3V，也就是S1在空闲状态保持高电平。

这样NMOS管Q2的Vgs=Vg-Vs为0V，Vgs小于导通阈值Vth使得Q2不能导通。同时高电压部分的S2通过上拉电阻R2上拉到5V。这样MOSFET两端的总线空闲时都为高电平。

状态2：当S1变为低电平：

当NMOS管的S1极变为低电平，而门极G保持为3.3V的高电平。Vgs=3.3V高于导通阀值Vth，NMOS管开始导通。

然后S2极被导通的NMOS管下拉到低电平，此时S1、S2都是低电平而且电压电平相同。

状态3：当S2变为低电平：

当NMOS管的S2极变为低电平，通过NMOS管的体二极管作用，将NMOS的S1极拉低到0.7V，使Vgs的电压3.3-0.7=2.6V高于导通阀值Vth，NMOS导通将进一步的拉低S1极电压（Rds*I，Rds为ds之间的电阻，I为流过的电流，例如50mR*200mA），也就是将S1下拉到低电平。此时S1、S2都是低电平而且电压电平相同。

从上面分析可以看出：

①S1为高电平时，MOS管截止，S2也为高电平；S2为高电平时，MOS管截止，S1也为高电平；

②当S1变为低电平时，MOS管导通，S2也变为低电平。

③当S2变为低电平时， MOS管内的二极管导通，从而促使MOS管导通，S1也变为低电平。

上述的3个状态，第一个状态实现了电平转换功能。而第二个和第三个状态的逻辑实现的都是线“与”的功能，即只要有一端为低电平，也会使另外一端为低电平。

优点：

1、适用于低频信号电平转换（例如I2C），价格低廉。

2、导通后，压降比三极管小。

3、正反向双向导通，相当于机械开关。

4、电压型驱动，当然也需要一定的驱动电流，而且有的应用也许比三极管大。

3. 应用：1.8V与3.3V逻辑电平转换