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常用电平转换电路

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pixhw|  楼主 | 2023-12-17 21:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
那么什么是电平转换?为什么需要电平转换?
简单说明一下,在我们设计的电路中,不同芯片的引脚使用的电压不同,比如常见的1.8V、3.3V、5V等,在两种不同电压芯片引脚之间进行通讯时候,我们需要使得两边的电平都符合自身的需求且能够进行正常的通讯,这就叫电平转换。
因为不同电压芯片之间的通讯存在电平不匹配的问题,同时如果通讯的两端压差过大也可能会损坏芯片引脚,所以我们需要进行电平转换。
一般来说,我们进行电平转换,主要考虑的有信号传输的速度以及信号的方向问题。
本文根据博主实际项目经验,总结一些我们常用的电平转换电路。
一、二极管电平转换电路
二极管电平转换电路,其实我自己并不常用,只是以前测试使用过:

在这里插入图片描述
使用此电路需要注意转换的方向,高电压端和低电压端不可调换。
电路分析
当输入端 3.3V_IN 为低电平时,D1导通,输出端 1.8V_OUT 为低电平,实现两端都为低电平。
当输入端 3.3V_IN 为高电平时,D1截止,输出端 被 R1 上拉至 1.8V ,为高电平,实现两端都为高电平。
<3 因为确实没有实际产品用过,所以不太好评价 = =!。
二、三极管电平转换电路
三极管实现电平转换,有点类似二极管,一样需要注意方向。
2.1 电路一
第一种电路如下:
此例子为博主使用过的4G模块与 STM32 通讯使用过的电路。

在这里插入图片描述
上图中上面部分三极管基区的电压 VDD_EXT 没用错,以上图为例,这个基区电压给 VDD_MCU 或者 VDD_EXT 都是可以的。 但是下面部分的电路三极管基区的电压必须是 VDD_EXT 。
电路分析
当输入端为 低电平 0V的时候,三极管导通,输出端 与输入端导通,输出端被拉低到接近0V,实现两端都为低电平。
当输入端为 高电平的时候,三极管截止, 输出端 靠着上拉电阻(上图中的 R17、R19),变成高电平,实现两端都被高电平。
2.2 电路二
三极管电平转换电路第二种方式:
此例子为博主使用过的信号采集电路,外接的信号最高电压为1.8V,为了保证STM32能够稳定的接收到,使用此电路将外接的信号转化为稳定的高低电平。

在这里插入图片描述
电路分析
当输入 S_IN 为低电平时,三极管 Q1关断,三极管 Q2 基极为高电平,导致 Q2 导通,输出端 S_OUT被拉低,实现两端都为低电平。
当输入 S_IN 为高电平 (VDD_EXT) 时,三极管 Q1 导通,三极管Q2关断,输出端 S_OUT 被 R4 拉高到 VDD_MCU,实现两端都为高电平。
<3 三极管电平转换电路,便宜实用,但是只能单向转化。 而且不适用于波特率过高的应用(大概大于 400Kbps 就不建议用了)。
三、MOS管电平转换电路
讲过二极管,三极管,最后还是有MOS管,不得不说MOS在当下的应用之广泛,而且下面这个电平转换,是博主用得最多的,MOS管双向电平转换电路:
此例子为博主使用过的1.8V单片机与 传感器 I2C 通讯电路。

在这里插入图片描述
注意事项:
1、该电路只能用于收发双方都是开集(Open Collector, OC)或开漏(Open Drain, OD)结构输出的双向信号线。比如常见的I2C通讯。
2、VCC_S1 <= VCC_S2
3、MOS管导通电压门限(Vth(GS)里面的最大值)需要小于低电源电压。
电路分析
我们使用上图来简单分一下电路:
从左向右看
当 S1A 为高电平 (VCC_S1) 时候,MOS管 VGS = 0, NM1 不导通,S2A 处电平被 R11 上拉为高电平(VCC_S2),S2A也为高电平。两端都为高电平。 当 S1A 为低电平 时候,MOS管 VGS = VCC_S1, NM1 导通,S2A 的电平与 S1A相等,为低电平。两端都为低电平。
从右向左看
这里说明一下开漏输出,由于有上拉电阻,所以没有外部影响的正常情况下,S1A 和 S2A 默认都会是高电平。
当 S2A 为高电平 (VCC_S2) 时候:
假设左侧 S1A 为高电平(因为是开漏输出,所以左侧一般来说被 R10 上拉至高电平 (VCC_S1),除非线上有低电平拉低,这里我们仍然分两种情况讨论),MOS管 VGS = 0, NM1 不导通,左侧依然被R10 上拉至高电平 (VCC_S1)。两端都为高电平。 假设左侧 S1A 为低电平(正常不会发生,原因就是开漏输出),MOS管 VGS = VCC_S1, NM1 导通,S2A 为高电平,所以会导致 S1A 电压上升,等 S1A 上升到 VCC_S1 的时候,NM1 截止,两端都变成高电平(除非开始使得 S1A 为低电平的外界因数一直存在,这是外部的问题不做过多讨论)。
当 S2A 为低电平时候:
正常情况下左侧 S1A 为高电平(VCC_S1),MOS管 VGS = 0, NM1 不导通,但是由于 MOS 管的寄生二极管,会把 S1A 下拉至低电平(这个低电平不是0V,是比 S2A 高一个二极管压降,比如 0.7V),那么VGS =(VCC_S1 - 0.7V),使得 NM1导通,导通以后,那么 S1A 和 S1B 基本相等,两端都为低电平。
如果 S1A 开始就为低电平(正常不会发生),MOS管 VGS = VCC_S1, NM1 导通,S2A 的电平与 S1A相等,为低电平。两端都为低电平。
<3 最经典的电平转换电路,双向电平转换。常用于 I2C通讯。 不能用于推挽输出的IO口,MOS管的选型需要注意 VGS(th)(开启电压) 要小于通讯两端的需要的电源电压。

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tpgf| | 2024-1-6 17:09 | 显示全部楼层
有使用mos管进行电平转换的吗

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drer| | 2024-1-6 20:53 | 显示全部楼层
有没有输入低电平输出高电平的呢

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qcliu| | 2024-1-6 21:25 | 显示全部楼层
如何减小电平转换的纹波系数呢

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coshi| | 2024-1-29 08:53 | 显示全部楼层
在电平转换的时候是不是还需要考虑功率呢

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wiba| | 2024-1-29 09:40 | 显示全部楼层
dcdc和ldo的内部原理跟这些电路是一样的吗

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kxsi| | 2024-1-29 12:00 | 显示全部楼层
转换前后的电平是由什么来决定的呢

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dspmana| | 2024-2-2 20:15 | 显示全部楼层
二极管电平转换电路              

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ulystronglll| | 2024-2-2 20:31 | 显示全部楼层
使用专门的双向电平转换芯片              

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pmp| | 2024-2-2 21:02 | 显示全部楼层
MOS管还具有易于集成和高速开关的特性,因此在单片机电平转换中得到广泛应用。

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backlugin| | 2024-2-2 21:32 | 显示全部楼层
电平转换器通常使用专用的电平转换芯片,如TXS0108E、74LVC1G125等。

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ccook11| | 2024-2-2 22:02 | 显示全部楼层
分立元件电平转换              

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loutin| | 2024-2-3 07:40 | 显示全部楼层
电平转换器是一种更高级的电平转换电路

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albertaabbot| | 2024-2-3 08:24 | 显示全部楼层
市面上有许多专门设计的电平转换芯片,它们可以实现单向或双向的电平转换,并带有方向控制功能。

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sdlls| | 2024-2-3 10:55 | 显示全部楼层
当输入端为高电平时,MOS管截止,输出端被上拉至高电平;当输入端为低电平时,MOS管导通,输出端被拉低至低电平。

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jackcat| | 2024-2-3 16:44 | 显示全部楼层
专用的电平转换芯片如SPXRTM、MAX3389等,可以提供高速、高精度的电平转换

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lihuami| | 2024-2-3 17:08 | 显示全部楼层
三极管电平转换电路              

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hudi008| | 2024-2-3 18:12 | 显示全部楼层
电平转换器可以实现高速信号的电平转换,且具有较低的传输延迟。

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deliahouse887| | 2024-2-3 18:39 | 显示全部楼层
利用二极管的单向导电性实现电平的转换。这种电路一般用于低电压范围的转换,并且只能单向转换,使用时需要注意方向。

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kkzz| | 2024-2-3 19:09 | 显示全部楼层
利用MOS管的开关特性实现电平的转换。这种电路具有低阻抗、高耐压等优点,适用于大电流和高电压的场合。

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