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經(jīng)典MOS管電平轉(zhuǎn)換電路，硬件工程師居家旅行、看門(mén)護(hù)院的必備良藥！

時(shí)間：2020-09-08 19:52:30
關(guān)鍵字： MOS管    電平轉(zhuǎn)換電路   
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[導(dǎo)讀]本文作者LR梁銳定居廣州，是一位電子電路愛(ài)好者，有著非常豐富的硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，歡迎大家進(jìn)群勾搭閑聊~


作者：LR梁銳，排版整理：曉宇
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本文作者LR梁銳定居廣州，是一位電子電路愛(ài)好者，有著非常豐富的硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，歡迎大家進(jìn)群勾搭閑聊
電平轉(zhuǎn)換在電路設(shè)計(jì)中非常常見(jiàn)，因?yàn)樽鲭娐吩O(shè)計(jì)很多時(shí)候就像在搭積木，這個(gè)電路模塊，加上那個(gè)電路模塊，拼拼湊湊連起來(lái)就是一個(gè)電子產(chǎn)品了。而各電路模塊間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電壓域不一致的情況，所以模塊間的通訊就要使用電平轉(zhuǎn)換電路了。
上圖是用MOS管實(shí)現(xiàn)的I2C總線電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)3.3V電壓域與5V電壓域間的雙向通訊。掛在總線上的有3.3V的器件，也有5V的器件，通過(guò)這個(gè)電路，大家就可以愉快地玩耍聊天了。
實(shí)物對(duì)照?qǐng)D如下。實(shí)物的上拉電阻用了4.7K歐姆，可以提供更大的電流驅(qū)動(dòng)能力。在滿(mǎn)足電路性能的前提下，我喜歡用阻值更大的電阻，因?yàn)楣母透‰姟?/span>

原理分析

簡(jiǎn)化來(lái)看，留下I2C的一根線來(lái)分析就可以了，如下圖。
分四種情況：
1、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。
2、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(guò)MOS管被拉到低電平。
3、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。
4、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。
注：
低電平 指等于或接近0V。
高電平 指等于或接近電源電壓。所以3.3V電壓域的器件，其高電平為等于或接近3.3V；5V電壓域的器件，其高電平為等于或接近5V。
具體要求看芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)是怎么說(shuō)明這個(gè)限定范圍的，常見(jiàn)的比如說(shuō)0.3倍的“芯片供電電壓”以下為低電平，0.7倍的“芯片供電電壓”以上為高電平。也就是說(shuō)“芯片供電電壓”為5V的時(shí)候，5 x 0.3 = 1.5V 以下為低電平，5 x 0.7 = 3.5V 以上為高電平。
某一個(gè)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)里關(guān)于高低電平的閾值范圍說(shuō)明

注意事項(xiàng)

以上是3.3V與5V之間的情況，如果換用其他電壓域之間的轉(zhuǎn)換，如3.3V、2.5V、1.8V等電壓值的兩兩之間，需要注意MOS管的Vgs開(kāi)啟導(dǎo)通電壓。
給MOS管過(guò)高的Vgs會(huì)導(dǎo)致MOS管燒壞！給過(guò)低的Vgs會(huì)導(dǎo)致MOS管打不開(kāi)！不同型號(hào)的MOS管這個(gè)參數(shù)值還不一樣！?。?/span>
舉例：其中一個(gè)廠家生產(chǎn)的2N7002的數(shù)據(jù)手冊(cè)，Vgs不能超過(guò)正負(fù)20V
再來(lái)看一下，設(shè)計(jì)電路時(shí)Vgs可能設(shè)計(jì)過(guò)小的情況，下圖是2N7002的數(shù)據(jù)手冊(cè)：
舉例： 其中一個(gè)廠家生產(chǎn)的2N7002的數(shù)據(jù)手冊(cè)，Vgs的開(kāi)啟電壓為1V
實(shí)際使用時(shí)為保證完全開(kāi)啟、完全導(dǎo)通，設(shè)計(jì)上要多預(yù)留余量，比如實(shí)際電路中Vgs起碼給到1.8V。因?yàn)?.8V的設(shè)計(jì)參數(shù)接近數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)注的1V臨界值，尤其注意用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保萬(wàn)無(wú)一失。

總結(jié)

3.3V跟5V互轉(zhuǎn)的電路已經(jīng)是一個(gè)經(jīng)典電路，實(shí)在是硬件設(shè)計(jì)師居家旅行、護(hù)院看家，必備良藥！MOS管型號(hào)就記住用2N7002，這個(gè)型號(hào)便宜，性能久經(jīng)考驗(yàn)，不像有些MOS管外型看起來(lái)跟2N7002一樣，但實(shí)際是大功率的，有部分性能規(guī)格浪費(fèi)了，有部分性能規(guī)格又不一定能滿(mǎn)足需要，主要是還賊貴，具體其他MOS是怎樣的這里就不細(xì)究啦。
最后，關(guān)于電路的學(xué)習(xí)，希望大家，enjoy！ 喜歡請(qǐng)點(diǎn)贊并轉(zhuǎn)發(fā)支持我們，您的轉(zhuǎn)發(fā)就是我們繼續(xù)創(chuàng)作的最佳動(dòng)力，謝謝大家！
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