一、前言
在我們?cè)O(shè)計(jì)的電路中，不同芯片的引腳使用的電壓不同，比如常見的 1.8V、3.3V、5V 等，我們需要對(duì)不同通信電平的設(shè)備進(jìn)行通信就需要使用電平轉(zhuǎn)換進(jìn)行電平匹配，本文介紹常見的電平轉(zhuǎn)換方法。
二、二極管電平轉(zhuǎn)換
典型應(yīng)用：上拉電阻加二極管方案
圖1 二極管轉(zhuǎn)換電路
• 適用范圍：輸入信號(hào)電平大于輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路上
• 優(yōu)點(diǎn)：成本低，使用元件少
• 缺點(diǎn)：只能單向傳輸，且輸入信號(hào)電平大于輸出信號(hào)，二極管會(huì)產(chǎn)生較大的壓降
此處二極管的選擇盡量選擇低壓降的肖特基二極管，以保證信號(hào)傳輸不會(huì)因?yàn)槎䴓O管的壓降過大導(dǎo)致電平讀取出錯(cuò)。
工作過程分析：
當(dāng) 3.3V 器件輸出高電平信號(hào)，由于上拉 5V 作用，信號(hào)輸入器件被上拉為 5V 電平。
當(dāng) 3.3V 器件輸出低電平信號(hào)，使 OUTPUT 信號(hào)被拉低，從而信號(hào)輸入器件信號(hào)被拉低。
三、三極管電平轉(zhuǎn)換
三極管電路基本應(yīng)用如下：
圖2 三極管轉(zhuǎn)換電路
• 適用范圍：輸入信號(hào)電平大于輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路上
• 優(yōu)點(diǎn)：成本低，使用元件少，相較于二極管不同的是，三極管信號(hào)輸入端可以用更小的電流驅(qū)動(dòng)，此處可能在某些外設(shè)驅(qū)動(dòng)能力較弱的情況下更具優(yōu)勢(shì)
• 缺點(diǎn)：只能單向傳輸，且輸入信號(hào)電平大于輸出信號(hào)
作用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)和二極管電路類似，三極管也會(huì)因?yàn)?PN 結(jié)產(chǎn)生一定的壓降，從而在三極管的選型上，可以選擇導(dǎo)通壓降較低的三極管。
工作過程分析：
• 當(dāng) 3.3V 器件輸出高電平信號(hào)，由于上拉 5V 作用，信號(hào)輸入器件被上拉為 5V 電平。
• 當(dāng) 3.3V 器件輸出低電平信號(hào)，導(dǎo)致 PNP 二極管導(dǎo)通，從而信號(hào)輸入器件信號(hào)被拉低。
四、MOS 電平轉(zhuǎn)換：
• 適用范圍：適用于大部分需要電平轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場(chǎng)景
• 優(yōu)點(diǎn)：可以雙向傳輸，導(dǎo)通壓降一般較小，且傳輸頻率可以達(dá)到很高
下面以 I2C 的其中一條信號(hào)線進(jìn)行工作過程分析：
圖3 MOS 管轉(zhuǎn)換電路
當(dāng) SDA1 輸出高電平時(shí)：MOS 管 Q1 的 Vgs = 0，MOS 管關(guān)閉，SDA2 被電阻 R3 上拉到 5V。
當(dāng) SDA1 輸出低電平時(shí)：MOS 管 Q1 的 Vgs = 3.3V，大于導(dǎo)通電壓，MOS 管導(dǎo)通，SDA2 通過 MOS 管被拉到低電平。
當(dāng) SDA2 輸出高電平時(shí)：MOS 管 Q1 的 Vgs 不變，MOS 維持關(guān)閉狀態(tài)，SDA1 被電阻 R2 上拉到 3.3V。
當(dāng) SDA2 輸出低電平時(shí)：MOS 管不導(dǎo)通，但是它有體二極管，MOS 管里的體二極管把 SDA1 拉低到低電平，此時(shí) Vgs 約等于 3.3V，MOS 管導(dǎo)通，進(jìn)一步拉低了 SDA1 的電壓。
五、電平轉(zhuǎn)換芯片
如果信號(hào)的轉(zhuǎn)換頻率要求較高，而且不希望產(chǎn)生較大的電壓壓降，很多廠家都有設(shè)計(jì)專門的電平轉(zhuǎn)換芯片.
下面是某廠電平轉(zhuǎn)換芯片介紹，芯片特性如下：
• 電平轉(zhuǎn)換范圍廣：VCC(A): 1.65 V to 3.6 V and VCC(B): 2.3 V to 5.5 V
• 最大數(shù)據(jù)速率：50 Mbps
• 多種封裝
• 轉(zhuǎn)換通道數(shù)：4
• 主要適用于：I2C，UART，GPIO 等
圖4 NTS0104 典型應(yīng)用
六、結(jié)語
電平轉(zhuǎn)換的方式和電路較多，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的方案，目前電平轉(zhuǎn)換芯片已經(jīng)很成熟，建議選擇電平轉(zhuǎn)換芯片會(huì)更適用于絕大多數(shù)情況。 |
