电平转换电路设计

只看该作者 · 2024-5-25 12:03

在进行电路设计时，存在不同芯片使用的电压不同的情况，如常用的5V、3.3V、1.8V电压等。两个使用不同引脚电平的芯片在进行通讯时，由于引脚的高低电平范围不同、耐压不同，两端压差过大可能对芯片造成损坏，故需要进行电平转换，使通讯两端芯片的电平均符合自身要求，实现正常通讯。

一般来说，我们进行电平转换设计时，主要考虑的有信号传输的速度与信号传递的方向。以下总结了一些电平转换的方案，以供在进行设计时提供思路。

1.二极管电平转换方案

用于单向信号传输。利用二极管的单向导通特性，信号输入端接二极管负极，且信号高电平需大于接收端的信号高电平，接收端通过电阻上拉接二极管正极。

转换逻辑如下：

1）输入端为5.0V高电平时，二极管负极电平大于正极，不导通，输出端电平为3.3V高电平；

2）输入端为0V低电平时，二极管负极电平小于正极，二极管导通，输出端通过二极管接地，为低电平（取决于二极管压降，需确认在3.3V域芯片的低电平范围内）；

普通二极管的导通压降在0.6V~1.7V间，而肖特基二极管导通压降在0.15V~0.45V之间，且开关速度高，此处可用肖特基二极管。简单仿真参考如下：

由波形可知，二极管的相关寄生参数将影响信号波形，但在一定情形下是可用于单向的信号传输的。

2.三极管电平转换方案

三极管的电平转换方案，仍为单向信号传输方案。

2.1 方案一

该方案是利用三极管的开关特性，Vbe>Von（0.7V左右）则CE导通，<Von则CE断开。基极处的电压要大于Von，确保能够使三极管开通。由于开关的控制取决于基极与发射极间的压差，因此，信号的输入端需接在三极管的发射极。

控制转换逻辑如下：

1）当信号输入端为低电平时，Vbe大于Von，三极管导通，输出端经三极管到地（可通过输出端的上拉电阻及电压简单估算Ic的大小，再依据三极管的输出特性曲线，估算Vce的大小），为低电平；

2）当信号输入端为高电平时，Vbe小于Von，三极管截止，输出端被上拉电阻拉至高电平；

搭建简易仿真电路仿真结果如下：

2.2 方案二

该方案是利用将NPN三极管的发射极接地，集电极接电阻上拉到高电平，通过基极信号输入控制Vbe，从而控制三极管的导通，集电极由于上拉电阻的存在，其电压与基极输如信号电平反向；因此再接入一个三极管，再次将信号电平反向。其输出信号的高电平取决于第二个三极管的上拉电平。进行仿真，其结果如下：

3.MOS管电平转换方案

MOS管电平转换方案可进行不同信号电平间的双向信号传输，在实际使用中，MOS管的电平转换方案应用较多。

使用注意：

1）栅、源极的电压要小于漏极端上拉电阻所接电压，防止MOS管的体二极管影响；

2）MOS管的导通电压门限VGS(th)最大值要小于低电源的电压值，确保MOS管能够完全导通；

3）该电路用于双方都是开集（OC）或开漏（OD）结构输出的双向信号线，如I2C通讯；

电平控制转换逻辑如下：

S1--->S2：

1）当S1为高电平时，VGS为0，MOS管不导通，S2接上拉电阻为5V高电平；

2）当S1为低电平时，VGS>VGS（th）最大值，MOS管导通，S2被拉至低电平；

S2--->S1：

1）当S2为高电平时，S1通过上拉电阻拉至高电平，VGS为0，不导通，保持状态为高电平；

2）当S2为低电平时，S1通过MOS管的体二极管到S2，被拉低，同时VGS被拉至大于门限电压时，MOS管导通，则S1被拉至S2电平，即低电平状态；

仿真结果如下：

只看该作者 · 2024-5-25 13:02

有图说明就好了