常用的通信電平轉(zhuǎn)換方案

在我們電路設(shè)計(jì)中，常常會遇到通信電平轉(zhuǎn)換的問題，在應(yīng)用電平轉(zhuǎn)換的措施之前還需要判斷進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的必要性。

如果你是用的是3.3V器件作為輸出，而5V器件作為接收，那么這種低電平輸出不會損壞器件，而且大部分3.3V器件輸出高電平的時(shí)候也能夠滿足5V器件的高電平輸入標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)候你就不需要電平轉(zhuǎn)換。唯一需要注意的是如果外部5V器件需要從3.3V設(shè)備取電流的話，你需要查閱數(shù)據(jù)手冊上對于接口拉電流的最大值。有需要的話，增加緩沖器件（如74HC245）。

如果反過來，想要使用5V輸出的器件驅(qū)動(dòng)3.3V的外設(shè)的話，你就需要考慮電平轉(zhuǎn)換器件的必要性了。但有些3.3V的芯片在設(shè)計(jì)中已經(jīng)被設(shè)計(jì)為可容忍5V輸入了。這樣的芯片就可以直接使用5V的主控來直接驅(qū)動(dòng)，最經(jīng)典的一個(gè)例子就是74LVC系列芯片。

CMOS器件對于高低電平的判斷標(biāo)準(zhǔn)并不是一個(gè)具體值，而是基于電源電壓的百分比。一般來說CMOS器件的高電平標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)大于0.7倍的電源電壓（也就是說，用5V供電時(shí)，高電平的標(biāo)準(zhǔn)將為3.5V），這就會導(dǎo)致3.3V標(biāo)準(zhǔn)下的高電平無法觸發(fā)。但是這也不是絕對的，部分器件可以在3.3V電平標(biāo)準(zhǔn)下正常工作，即使標(biāo)稱的正常工作電壓是5V。對于這種問題，最好還是使用寫明了可以兼容3.3V電平標(biāo)準(zhǔn)的器件。

而TTL器件來說，工作在5V電壓下時(shí)其高電平判斷的標(biāo)準(zhǔn)是確定的2V。這也是為什么單向使用TTL器件的時(shí)候能夠正常判斷電平高低的原因。

現(xiàn)在我們就介紹幾種常用的通信電平轉(zhuǎn)換的方案

（1）晶體管+上拉電阻法

就是一個(gè)雙極型三極管或 MOSFET，C/D極接一個(gè)上拉電阻到正電源，輸入電平很靈活，輸出電平大致就是正電源電平。

（2）OC/OD 器件+上拉電阻法

利用OC或者OD門電路，這樣集電極或者漏極都可以通過一個(gè)電阻上拉到一個(gè)新的VCC，其基極或者柵極就可以連接另外一個(gè)VCC，這樣也就實(shí)現(xiàn)了3.3V控制5V的電平信號輸出。注意這里需要選擇好上拉電阻阻值，還要考慮MCUIO的驅(qū)動(dòng)能力。這類電路大部分運(yùn)用在輸出電路上的電平轉(zhuǎn)換電路。

（3）74xHCT系列芯片升壓 （3.3V→5V）

凡是輸入與 5V TTL 電平兼容的 5V CMOS 器件都可以用作 3.3V→5V 電平轉(zhuǎn)換。

——這是由于 3.3V CMOS 的電平剛好和5V TTL電平兼容（巧合），而 CMOS 的輸出電平總是接近電源電平的。

廉價(jià)的選擇如 74xHCT（HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/。。。） 系列 （那個(gè)字母 T 就表示 TTL 兼容）。

（4）專用電平轉(zhuǎn)換芯片

利用特定的電平轉(zhuǎn)換芯片，將3.3V和5V進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如74LVC4245A，74ALVC164245這兩款芯片用的比較多。它存在5V VCCA和3.3V VCCB，2個(gè)電源管腳，這樣就可以實(shí)現(xiàn)5V和3.3V的轉(zhuǎn)換了，同時(shí)DIR控制數(shù)據(jù)方向，這樣也實(shí)現(xiàn)了3.3V到5V，和5V到3.3V的兩個(gè)方向轉(zhuǎn)換。另外74LVC4245A還可以增加MCUIO的電流驅(qū)動(dòng)能力。我在設(shè)計(jì)中如果需要的話會首選這個(gè)芯片。74ALVC164245是16Bit，功能和74LVC4245A差不多。

（5）電阻分壓法

最簡單的降低電平的方法。5V電平，經(jīng)1.6k+3.3k電阻分壓，就是3.3V。

（6）限流電阻法

如果嫌上面的兩個(gè)電阻太多，有時(shí)還可以只串聯(lián)一個(gè)限流電阻。某些芯片雖然原則上不允許輸入電平超過電源，但只要串聯(lián)一個(gè)限流電阻，保證輸入保護(hù)電流不超過極限（如 74HC 系列為 20mA），仍然是安全的。

最后這里介紹一個(gè)簡單的可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電平的相互轉(zhuǎn)換的經(jīng)典電路。

上圖中，S1，S2為兩個(gè)信號端，VCC_S1和VCC_S2為這兩個(gè)信號的高電平電壓。另外限制條件為：

1，VCC_S1<=VCC_S2.

2，S1的低電平門限大于0.7V左右（視NMOS內(nèi)的二極管壓降而定）。

3，Vgs<=VCC_S1.

4，Vds

對于3.3V和5V/12V等電路的相互轉(zhuǎn)換，NMOS管選擇AP2306即可，原理比較簡單。

如下圖MOS-N 場效應(yīng)管 雙向電平轉(zhuǎn)換電路-- 適用于低頻信號電平轉(zhuǎn)換的簡單應(yīng)用。

如上圖所示電路，雙向傳輸原理：

為了方便講述，定義 3.3V 為 A 端，5.0V 為 B 端。

A端輸出低電平時(shí)（0V） ，MOS管導(dǎo)通，B端輸出是低電平（0V）

A端輸出高電平時(shí)（3.3V），MOS管截至，B端輸出是高電平（5V）

A端輸出高阻時(shí)（OC） ，MOS管截至，B端輸出是高電平（5V）

B端輸出低電平時(shí)（0V） ，MOS管內(nèi)的二極管導(dǎo)通，從而使MOS管導(dǎo)通，A端輸出是低電平（0V）

B端輸出高電平時(shí)（5V） ，MOS管截至，A端輸出是高電平（3.3V）

B端輸出高阻時(shí)（OC） ，MOS管截至，A端輸出是高電平（3.3V）

優(yōu)點(diǎn)：

1、適用于低頻信號電平轉(zhuǎn)換，價(jià)格低廉。

2、導(dǎo)通后，壓降比三極管小。

3、正反向雙向?qū)ǎ喈?dāng)于機(jī)械開關(guān)。

4、電壓型驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然也需要一定的驅(qū)動(dòng)電流，而且有的應(yīng)用也許比三極管大。

責(zé)任編輯：tzh