常用电平转换电路

1万 · 2023-12-17 21:46

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。