直接连接(警告:仅使用 5V 容限输入!!!) 串联电阻器。 串联电阻器具有外部肖特基二极管箝位,朝向3.3V线路。 带上拉电阻的串联二极管。 带有源钳位的串联电阻器。 电阻和齐纳二极管。 电阻分压器。 BJT/MOSFET 作为逆变器。 两个级联双极型晶体管/MOSFET 作为缓冲器。 漏极/集电极开路输出上的上拉电阻。 增加具有漏极/集电极开路输出的 5V 供电逻辑 IC(缓冲器、栅极等)。 增加具有 5V 容限输入的 3.3V 供电逻辑 IC(缓冲器、栅极等)。 系列 MOSFET(通用栅极配置)。 双极型晶体管系列(通用底座配置)。 电平转换器。 光耦合器
1、直接连接(仅限于5V容限输入)最简单的方法是直接连接。
优势: 劣势: 2、串联电阻器将5V连接至3.3V系统的第二种最简单方法是使用串联电阻。
上图串联电阻器用于将一个 5V 输出连接至一个 3.3V 输入。输入端必须有其保护二极管。工作原理如下:3.3V(非5V容限IC)的输入通常由二极管保护:一个朝向VDD,另一个朝向GND,如下图所示。这些二极管通常为关断,因为它们都是反向偏置的。但是,如果尝试输入大于VDD,3.3V的电压,它们会将输入电压箝位为VDD,3.3V(加上正向二极管电压,通常为0.7V)。由于开关器件的电容耦合或振铃,即使在仅3.3V的系统上,也可能发生大于VDD,3.3V的瞬态尖峰。
当5V信号通过电阻馈送到输入端时,二极管将导通:电阻限制流入引脚的电流,保护输入。进入引脚的最大电流有时会在数据表中注明,并且应保持较低水平,原因有两个:
- 除了漏电流外,没有电流会流入引脚。由于闩锁现象,可能会发生损坏。
- 流入输入引脚的电流将从VDD引脚流出!如果这样的电流太大,可能会增加整个系统的VDD电压,破坏IC。如果系统的电流消耗大于流入PIN的电流,那么应该没有问题。否则,建议在VDD,3.3V和GND之间放置一个虚拟负载。负载的值应使其至少吸附流入所有输入的电流。
要计算,只需将输入电流视为I=(5V-3.3V)/RS。然后在VDD,3.3V和GND之间放置一个电阻,使其将吸收相同的电流I。换句话说:RLOAD = RS 3.3V (5V-3.3V) 或约 2 RS。如果有多个输入,则必须相应地降低 RLOAD。如果您的系统已经从3.3V吸收“I”(例如,由于IC电流消耗或存在始终接通的LED),那么您可以省略或增加RLOAD。.该解决方案还有另一个缺点:除非使用低值电阻,否则它会严重限制带宽。事实上,输入引脚和走线都会有一定的寄生电容.优势: 劣势: 高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。 输出过载(使用低值电阻器) 进入输入端的电流可能会导致锁存。 如果 3.3V 系统具有非常低的最小电流消耗,则需要在 3.3V 电源上使用一个外部负载电阻器。 3.3V电源上可能由于电流注入而产生噪声。 3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。
3、串联电阻器,带有朝向 3.3V线路的外部肖特基二极管箝位该电路与以前的解决方案类似,但可以实现更快的速度,因为大部分电流将由肖特基二极管承载,而不是保护二极管。这仍然有将电流馈送到VDD,3.3V线的缺点。因此,系统必须“消耗”这种电流,如前一种情况所示。
优势: 劣势: 每个输入需要两个元件(电阻和肖特基二极管)。 高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。 输出过载(使用低值电阻器) 如果 3.3V 系统具有非常低的最小电流消耗,则需要在 3.3V 电源上使用一个外部负载电阻器。 3.3V电源上可能由于电流注入而产生噪声。 还必须考虑二极管的电容。 3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。
4、带有源钳位的串联电阻器。与其将输入电流重定向到VDD,3.3V,不如将其耗散到地,这样就不会发生VDD,3.3V电平变化。
当输入电压大于3.9V时,PNP BJT将持续传导。该解决方案允许使用更小的电阻(更高的带宽)。值得注意的是,仍然有电流注入VDD,3.3V,但是,这种电流将比流入RS的电流小很多倍。另一个问题是,在某些IC上,当输入端的值比3.3V电平低至0.35V时,它们的保护二极管开始导通。在这种情况下,BJT基极不应连接到3.3V,而应连接到稍小的电压(如果系统上可用)。 优势: 可实现更大的带宽。 注入3.3V电源线的电流非常小。 小电流注入输入引脚。
劣势: 每个输入需要两个元件(电阻和双极型晶体管)。 高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。 输出过载(使用低值电阻器) 如果3.3V系统具有极低的最小电流消耗,则仍可能需要在3.3V电源上使用外部负载电阻。 由于电流注入3.3V电源,3.3V电源上仍可能存在噪声。 在某些情况下,可能需要另一个电源(低于3.3V)将电压箝位到输入保护二极管的导通电压以下。 BJT的电容仍然必须考虑在内。 3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。 箝位电压可能过高(约3.9V)。可能需要另一个电压源(小于3.3V)。
5、电阻器和齐纳二极管我们可以不使用BJT,而是使用齐纳二极管,它将电压削波到Vz值。问题在于,低值齐纳二极管具有相当大的动态电阻,并且必须有大电流流入齐纳二极管,才能实际显示Vz值(几mA)。
优势: 劣势: 每个输入需要两个元件(电阻和齐纳二极管)。 高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。 输出过载(使用低值电阻器) 还必须考虑二极管的电容。 输出电压并不精确,因为一些低值齐纳二极管的动态电阻非常差。 3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。
6、带上拉电阻的串联二极管。如果您的3.3V系统接受高达0.7V的低电平输入电压,则可以使用普通的1N4148二极管,如下所示。如果您想要更大的噪声裕量(或者如果只是0.7V太高),请改用肖特基二极管。工作原理很简单:当5V系统输出5V时,二极管反极化,因此是开路的。3.3V系统的输入通过R1被上拉至3.3V。然后5V系统输出0V,二极管正向偏置,因此3.3V输入端的电压将是二极管的正向压降:硅二极管约为0.6-0.7V,肖特基二极管约为0.35V。切记使用快速信号二极管!(即不要使用1N4007!)
优势: 劣势: 7、电阻分压器降低5V电压的一种简单方法是通过电阻分压器!
电阻分压器相对于单个电阻表现更好。给定相同的带宽,与已经检查过的其他解决方案相比,它消耗的更少(直接连接除外!)优势: 劣势: 8、双极型晶体管/MOSFET 作为逆变器如果您可以接收反相信号,则可以使用BJT或MOSFET。
带宽主要由上拉电阻和寄生电容(必须包括BJT/MOSFET的电容!)决定。优势: 没有电流注入3.3V电源线。 无输出过载。 没有电流注入输入引脚。
劣势: 9、两个级联的双极型晶体管/MOSFET作为缓冲器。您可以级联两个以前的 BJT/MOSFET 电阻器逆变器。这样,输出就不会反转。
优势: 没有电流注入3.3V电源线。 无输出过载。 没有电流注入输入引脚。 逻辑电平不会反转。
劣势: 10、开漏/耦合器输出端上的上拉电阻仅当输出为集电极/漏极开路时,此方法才有效。
这与“BJT/MOSFET作为逆变器”非常相似。由于输出是漏极开路,因此必须插入一个上拉电阻。
优势: 需要单个电阻器。 没有电流注入引脚。 没有电流注入3.3V线路。
劣势: 11、逻辑IC(缓冲器、栅极等),具有漏极开路/集电极输出。您可以连接漏极开路/集电极缓冲器/栅极IC,外加一个上拉电阻,如下所示。缓冲器/栅极由5V供电,因此可接受5V。
优势: 劣势: 12、增加具有 5V 容限输入的 3.3V 供电逻辑 IC(缓冲器、栅极等)您可以连接一个 5V 容限 IC,供电电压为 3.3V,例如 SN74LV1T34。
优势: 没有电流注入引脚。 没有电流注入3.3V线路。 低功耗。 快。 高噪声裕量。
劣势: 13、MOSFET 系列(通用栅极配置)我们可以使用公共栅极配置,而不是在公共源配置中使用MOSFET。MOSFET实际上将是串联的。MOSFET 必须是 2.5V 逻辑电平 MOSFET,否则将无法工作。
电路的工作原理如下。当Vin为5V时,MOSFET将关闭,因为VGS = 0V(被R2束缚)。当Vin为0V时,由于MOSFET的漏体寄生二极管,输出最初将变为0.7V。因此,VGS将变为3.3V-0.7V = 2.6V。由于这是一个2.5V逻辑电平MOSFET,MOSFET将导通,现在有效地充当短路。输出为0V。正如我们将在“连接3.3V至5V系统”中所示,该电路也可以双向工作,即它将3.3V信号转换为5V信号!优势: 没有电流注入3.3V电源线。 没有电流注入输入引脚。 非反相输出。 可以是双向的。
劣势: 14、双极型晶体管系列(通用底座配置)也可以使用BJT,但发射器必须在5V侧(MOSFET的源极是在3.3V侧!
其工作原理如下:当输入为5V时,VBE=-1.7,因此BJT为OFF。3.3V侧上拉。当VIN为0V时,基极-发射极结将正向极化,BJT将导通,将“0”逻辑电平传输到3.3V侧。优势: 没有电流注入3.3V电源线。 没有电流注入输入引脚。 非反相输出。
劣势: 15、电平转换器为了实现最快的速度、最低的功耗和更好的信号电平,您可以使用电平转换器 IC,如 74LVC8T245(8 位)或 74LVC1T45(1 位)。然而,它们成本很高,占用空间,并且需要另外两个去耦电容(原理图中未显示)。通常,电平转换器具有不同数量的输入/输出,它们也可以是双向的(由数据方向控制或自动控制)。
优势: 没有电流注入3.3V电源线。 没有电流注入输入引脚。 非反相输出(也有反相转换器)。 无输出过载。 非常高的带宽。 良好的信号水平。 收发器的输出也可以加载。 静态功耗可忽略不计。
劣势: 16、光耦合器/隔离器当您需要连接两个单独的系统,或者当您需要在同一电路/系统的两个部分之间进行电气绝缘时,这种技术特别有用,并推荐使用。当处理远高于5V(例如24V)的电压时,它也非常有用。请注意,这两个系统也可能共享相同的接地,但是,在这种情况下,您将失去它们之间的电气绝缘。在下面的原理图中,我们展示了一个带有晶体管输出的标准光耦合器。有些光耦合器已经提供了数字,并且在某些情况下不需要Rpu(检查输出是否为集电极开路)。最近,其他类型的隔离器已经问世。这些不是基于光学的,而是基于电容式,巨磁阻或磁耦合。这些通常更快,但要贵得多。在所有这些具有直接数字输出的光耦合器/隔离器中,只能使用反相和非反相配置的第一个版本(即光耦合器连接在3.3V系统的输入和地之间)。
优势: 劣势:
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