分享使用MOSFET的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器

回到 ENIAC 時代，計算機(jī)本質(zhì)上更多是模擬的，并且使用的數(shù)字 IC 很少。今天，Joe的計算機(jī)一般可以在多個電壓等級下工作，看過 CPU SMPS 的人會注意到您的計算機(jī)需要 ±12V、+5V 和 +3.3V 才能運行。這些電壓水平對于計算機(jī)來說非常重要。特定的電壓決定了信號的狀態(tài)（高或低）。計算機(jī)將這種高狀態(tài)作為二進(jìn)制 1 接受，將低狀態(tài)作為二進(jìn)制 0 接受。根據(jù) 0 和 1 條件，計算機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)、代碼和指令以提供所需的輸出。

現(xiàn)代邏輯電壓電平在 1.8V 到 5V 之間變化很大。標(biāo)準(zhǔn)邏輯電壓為 5V、3.3V、1.8V 等。但是，使用 5V 邏輯電平（例如Arduino ）的系統(tǒng)或控制器如何與使用 3.3V（例如ESP8266）或任何其他不同電壓的另一個系統(tǒng)通信等級？這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在許多設(shè)計中，其中使用了多個微控制器或傳感器，這里的解決方案是使用邏輯電平轉(zhuǎn)換器或邏輯電平轉(zhuǎn)換器。在本文中，IC先生網(wǎng)將了解有關(guān)邏輯電平轉(zhuǎn)換器的更多信息，我們還將使用 MOSFET 構(gòu)建一個簡單的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路這將對您的電路設(shè)計派上用場。

高電平和低電平輸入電壓

但是，從微處理器或單片機(jī)方面來看，邏輯電壓電平值并不是固定的；它有一些容忍度。例如，對于 5V 邏輯電平微控制器，可接受的邏輯高電平（邏輯 1）是最小 2.0V（最小高電平輸入電壓）至最大 5.1V（最大高電平輸入電壓）。同樣，對于邏輯低（邏輯 0），可接受的電壓值是從 0V（最小低電平輸入電壓）到 8V（最大低電平輸入電壓）的最大值。

以上示例適用于 5V 邏輯電平微控制器，但也可提供 3.3V 和 1.8V 邏輯電平微控制器。在這種類型的微控制器中，邏輯電平電壓范圍會有所不同。您可以從該特定控制器 IC 的數(shù)據(jù)表中獲取相關(guān)信息。使用電壓電平轉(zhuǎn)換器時，應(yīng)注意高壓值和低壓值在這些參數(shù)的限制范圍內(nèi)。

雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器

根據(jù)應(yīng)用和技術(shù)結(jié)構(gòu)，可提供兩種類型的電平轉(zhuǎn)換器，單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器和雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器。在單向電平轉(zhuǎn)換器中，輸入引腳專用于一個電壓域，輸出引腳專用于另一個電壓域，但雙向電平轉(zhuǎn)換器并非如此，它可以雙向轉(zhuǎn)換邏輯信號。對于雙向電平轉(zhuǎn)換器，每個電壓域不僅有輸入引腳，還有輸出引腳。例如，如果您向輸入側(cè)提供 5.5V，它將在輸出側(cè)將其轉(zhuǎn)換為 3.3V，同樣，如果您向輸出側(cè)提供 3.3V，它將在輸入側(cè)將其轉(zhuǎn)換為 5V。

在本教程中，我們將構(gòu)建一個簡單的雙向電平轉(zhuǎn)換器，并將測試它的高到低轉(zhuǎn)換和低到高轉(zhuǎn)換。

簡單的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器

下圖顯示了一個簡單的雙向邏輯轉(zhuǎn)換器電路。

該電路使用n 溝道 MOSFET將低壓邏輯電平轉(zhuǎn)換為高壓邏輯電平。也可以使用電阻分壓器構(gòu)建一個簡單的邏輯電平轉(zhuǎn)換器，但它會引入電壓損耗?；?MOSFET 或晶體管的邏輯電平轉(zhuǎn)換器專業(yè)、可靠且集成更安全。

該電路還使用了兩個附加組件，R1 和 R2。那些是上拉電阻。由于零件數(shù)量最少，它也是一種具有成本效益的解決方案。根據(jù)上述電路，將構(gòu)建一個簡單的 3.3V 至 5V 雙向邏輯轉(zhuǎn)換器。

使用 MOSFET 的 5V 至 3.3V 電平轉(zhuǎn)換器

5V 到 3.3V的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路如下圖所示 -

如您所見，我們必須為電阻器 R1 和 R2 提供 5V 和 3.3V 的恒定電壓。Low_side_Logic_Input和High_Side_Logic_Input引腳可互換用作輸入和輸出引腳。

上述電路中使用的元件是

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170（N 溝道 MOSFET）。

兩個電阻都有 1% 的容差。容差為 5% 的電阻器也可以工作。BS170 MOSFET的引腳排列如下圖所示，順序為漏極、柵極和源極。

電路結(jié)構(gòu)由兩個每個 4.7k 的上拉電阻組成。MOSFET 的漏極和源極引腳被上拉到所需的電壓電平（在本例中為 5V 和 3.3V），以進(jìn)行低到高或高到低的邏輯轉(zhuǎn)換。您也可以為 R1 和 R2 使用 1k 到 10k 之間的任何值，因為它們僅用作上拉電阻。

為了達(dá)到完美的工作狀態(tài)，在構(gòu)建電路時需要滿足兩個條件。第一個條件是，低電平邏輯電壓（本例中為 3.3V）需要連接到 MOSFET 的源極，而高電平邏輯電壓（本例中為 5V）必須連接到 MOSFET 的漏極引腳。第二個條件是，MOSFET 的柵極需要連接到低壓電源（本例中為 3.3V）。

雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的仿真

使用仿真結(jié)果可以理解邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路的完整工作原理。正如您在下面的 GIF 圖像中看到的，在高電平到低電平的邏輯轉(zhuǎn)換期間，邏輯輸入引腳在 5V 和 0V（地）之間轉(zhuǎn)換，邏輯輸出為 3.3V 和 0V。

同樣，在低電平到高電平轉(zhuǎn)換期間，3.3V 和 0V 之間的邏輯輸入被轉(zhuǎn)換為 5V 和 0V 的邏輯輸出，如下圖 GIF 圖像所示。

邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路工作

滿足這兩個條件后，電路工作在三種狀態(tài)。狀態(tài)如下所述。

當(dāng)?shù)投颂幱谶壿?1 或高狀態(tài) (3.3V) 時。

當(dāng)?shù)投颂幱谶壿?0 或低狀態(tài) (0V) 時。

當(dāng)高端狀態(tài)從 1 變?yōu)?0 或從高變?yōu)榈停?V 到 0V）

當(dāng)?shù)投藶楦邥r，即 MOSFET 的源極電壓為 3.3V，由于未達(dá)到 MOSFET 的 Vgs 閾值點，MOSFET 不導(dǎo)通。此時 MOSFET 的柵極為 3.3V，MOSFET 的源極也為 3.3V。因此，Vgs 為 0V。MOSFET 關(guān)閉。邏輯 1 或低端輸入的高狀態(tài)通過上拉電阻 R2 在 MOSFET 的漏極側(cè)反射為 5V 輸出。

在這種情況下，如果 MOSFET 的低端將其狀態(tài)從高電平變?yōu)榈碗娖?，則 MOSFET 開始導(dǎo)通。源為邏輯 0，因此高端也變?yōu)?0。

以上兩個條件成功地將低壓邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高壓邏輯狀態(tài)。

另一種工作狀態(tài)是 MOSFET 的高端將其狀態(tài)從高變?yōu)榈?。這是漏極襯底二極管開始導(dǎo)通的時間。MOSFET 低端被下拉至低電壓電平，直到 Vgs 越過閾值點。低壓部分和高壓部分的總線在同一電壓電平下都變低了。

轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度

設(shè)計邏輯電平轉(zhuǎn)換器時要考慮的另一個重要參數(shù)是轉(zhuǎn)換速度。由于大多數(shù)邏輯轉(zhuǎn)換器將用于 USART、I2C 等通信總線之間，因此邏輯轉(zhuǎn)換器的切換速度必須足夠快（轉(zhuǎn)換速度）以匹配通信線路的波特率。

轉(zhuǎn)換速度與 MOSFET 的開關(guān)速度相同。因此，在我們的案例中，根據(jù) BS170 數(shù)據(jù)表，MOSFET 的開啟時間和 MOSFET 的關(guān)閉時間如下所述。因此，為您的邏輯電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計選擇正確的 MOSFET非常重要。

所以我們這里的 MOSFET 需要 10nS 開啟和 10nS 關(guān)閉，這意味著它可以在一秒鐘內(nèi)開啟和關(guān)閉 10,00,000 次。假設(shè)我們的通信線路以每秒 115200 位（波特率）的速度運行，那么這意味著它在一秒鐘內(nèi)僅打開和關(guān)閉 1,15,200 位。所以我們也可以很好地使用我們的設(shè)備進(jìn)行高波特率通信。

測試您的邏輯轉(zhuǎn)換器

測試電路需要以下組件和工具 -

具有兩種不同電壓輸出的電源。

兩個萬用表。

兩個觸覺開關(guān)。

用于連接的電線很少。

修改原理圖以測試電路。

在上面的示意圖中，引入了兩個額外的觸覺開關(guān)。此外，還連接了一個萬用表來檢查邏輯轉(zhuǎn)換。通過按下 SW1，MOSFET 的低端將其狀態(tài)從高電平變?yōu)榈碗娖?，邏輯電平轉(zhuǎn)換器作為低壓到高壓邏輯電平轉(zhuǎn)換器工作。

另一方面，通過按下SW2，MOSFET的高端將其狀態(tài)從高變?yōu)榈?，并且邏輯電平轉(zhuǎn)換器作為高壓到低壓邏輯電平轉(zhuǎn)換器工作。

該電路在面包板上構(gòu)建并經(jīng)過測試。

上圖顯示了 MOSFET 兩側(cè)的邏輯狀態(tài)。兩者都處于邏輯 1 狀態(tài)。

邏輯電平轉(zhuǎn)換器的局限性

該電路當(dāng)然有一些限制。這些限制高度依賴于MOSFET 的選擇。該電路可使用的最大電壓和漏極電流取決于 MOSFET 的規(guī)格。此外，最小邏輯電壓為 1.8V。由于 MOSFET 的 Vgs 限制，低于 1.8V 的邏輯電壓將無法正常工作。對于低于 1.8V 的電壓，可以使用專用的邏輯電平轉(zhuǎn)換器。

重要性和應(yīng)用

正如介紹部分所討論的，數(shù)字電子設(shè)備中不兼容的電壓電平是接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。因此，需要電平轉(zhuǎn)換器或電平轉(zhuǎn)換器來克服電路中與電壓電平相關(guān)的誤差。

由于電子市場中廣泛的邏輯電平電路以及不同電壓電平的微控制器的可用性，邏輯電平轉(zhuǎn)換器具有令人難以置信的用例。一些基于I2C、UART 或音頻編解碼器工作的外圍設(shè)備和傳統(tǒng)設(shè)備需要電平轉(zhuǎn)換器來與微控制器進(jìn)行通信。

流行的邏輯電平轉(zhuǎn)換器 IC

有很多廠商提供邏輯電平轉(zhuǎn)換的集成解決方案。流行的 IC 之一是MAX232。它是最常見的邏輯電平轉(zhuǎn)換器 IC 之一，可將微控制器邏輯電壓 5V 轉(zhuǎn)換為 12V。RS232 端口用于在帶有微控制器的計算機(jī)之間進(jìn)行通信，需要 +/-12V。我們之前已經(jīng)使用MAX232 與 PIC和其他一些微控制器來連接微控制器與計算機(jī)。

根據(jù)極低電壓電平轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換速度、空間、成本等，也存在不同的要求。

SN74AX也是德州儀器 ( Texas Instruments) 流行的雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器系列。該細(xì)分市場中有許多 IC 提供單比特到 4 位電源總線的轉(zhuǎn)換以及附加功能。

另一種流行的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器 IC 是MaximIntegrated的MAX3394E。它使用與 MOSFET 相同的轉(zhuǎn)換拓?fù)?。引腳圖可以在下圖中看到。該轉(zhuǎn)換器支持單獨的使能引腳，可以使用微控制器進(jìn)行控制，這是一項附加功能。

上述內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示了相同的MOSFET 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但具有 P 溝道配置。它具有許多額外的附加功能，例如I/O 和 VCC 線路上的 15kVESD 保護(hù)。典型示意圖如下圖所示。

上面的示意圖顯示了將 1.8V 邏輯電平轉(zhuǎn)換為 3.3V 邏輯電平的電路，反之亦然?？梢允侨魏挝⒖刂破鲉卧南到y(tǒng)控制器也控制著 EN 引腳。

審核編輯：湯梓紅