将5V输出连接到3.3V输入的方法

1万 · 2023-12-17 21:53

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：

没有额外的成本或空间
最快的解决方案

劣势：

仅适用于 5V 容限器件

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：

简单的解决方案：每个输入引脚只有一个电阻。

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：

可实现更大的带宽。
注入输入引脚的电流可忽略不计。

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：

带宽类似于肖特基或有源箝位解决方案，因为可以使用低值电阻。
没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。
比BJT或肖特基的成本更低。
箝位电压可以低于BJT。

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：

带宽类似于肖特基箝位解决方案，因为可以使用低值上拉电阻。
没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。

劣势：

每个输入需要两个元件（电阻和二极管）。
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。
低电平输出电压是二极管的正向压降。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

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：

相对于其他系统（直接连接除外）而言，在相同消耗（或相同带宽下消耗较小）的带宽更好。
没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。
成本低于 BJT、肖特基或齐纳。
对称上升/下降时间。

劣势：

每个输入需要两个元件（两个电阻）。
高功率使用率（使用低值电阻）或低带宽（高值电阻）。
输出过载（使用低值电阻器）
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

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：

每个输入需要两个或三个元件（BJT/MOSFET和一个或两个电阻器）。
高功耗（使用低值上拉电阻）
反转输出！
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

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：

需要很多组件！
高功耗（使用低值上拉电阻）
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。
与前一种情况相比，带宽较小，因为两级级联。

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：

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

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：

没有电流注入引脚。
没有电流注入3.3V线路。

劣势：

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。
该解决方案需要一个缓冲器和一个电阻器。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

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：

成本和空间

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：

每个输入需要两个元件（MOSFET和一个电阻器）。
高功耗（使用低值上拉电阻）
输出过载（使用低值上拉电阻）
还必须考虑MOSFET的电容。
需要一个 2.5V 逻辑电平 MOSFET。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

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：

每个输入需要三个元件（BJT和两个电阻）。
高功耗（使用低值上拉电阻）
输出过载（使用低值上拉电阻）
BJT的电容仍然必须考虑在内。
VCE，sat被添加到低值输出中。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

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：

成本（电平转换器比一对电阻器或MOSFET/二极管贵得多）。
所需的空间（特别是在需要很少输入的情况下）。

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）。