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[導(dǎo)讀]本文作者LR梁銳定居廣州,是一位電子電路愛好者,有著非常豐富的硬件設(shè)計經(jīng)驗,歡迎大家進群勾搭閑聊~


作者:LR梁銳,排版整理:曉宇
微信公眾號:芯片之家(ID:chiphome-dy)
本文作者LR梁銳定居廣州,是一位電子電路愛好者,有著非常豐富的硬件設(shè)計經(jīng)驗,歡迎大家進群勾搭閑聊
電平轉(zhuǎn)換在電路設(shè)計中非常常見,因為做電路設(shè)計很多時候就像在搭積木,這個電路模塊,加上那個電路模塊,拼拼湊湊連起來就是一個電子產(chǎn)品了。而各電路模塊間經(jīng)常會出現(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管實現(xiàn)的I2C總線電平轉(zhuǎn)換電路,實現(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,通過這個電路,大家就可以愉快地玩耍聊天了。
實物對照圖如下。實物的上拉電阻用了4.7K歐姆,可以提供更大的電流驅(qū)動能力。在滿足電路性能的前提下,我喜歡用阻值更大的電阻,因為功耗更低更省電。

原理分析

簡化來看,留下I2C的一根線來分析就可以了,如下圖。
分四種情況:
1、當(dāng) SDA1 輸出高電平時: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: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。
3、當(dāng) SDA2 輸出高電平時: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: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Vgs約等于3.3V,MOS管導(dǎo)通,進一步拉低了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)手冊是怎么說明這個限定范圍的,常見的比如說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“芯片供電電壓”為5V的時候,5 x 0.3 = 1.5V 以下為低電平,5 x 0.7 = 3.5V 以上為高電平。
某一個芯片數(shù)據(jù)手冊里關(guān)于高低電平的閾值范圍說明

注意事項

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開啟導(dǎo)通電壓。
給MOS管過高的Vgs會導(dǎo)致MOS管燒壞!給過低的Vgs會導(dǎo)致MOS管打不開!不同型號的MOS管這個參數(shù)值還不一樣?。?!
舉例:其中一個廠家生產(chǎn)的2N7002的數(shù)據(jù)手冊,Vgs不能超過正負20V
再來看一下,設(shè)計電路時Vgs可能設(shè)計過小的情況,下圖是2N7002的數(shù)據(jù)手冊:
舉例: 其中一個廠家生產(chǎn)的2N7002的數(shù)據(jù)手冊,Vgs的開啟電壓為1V
實際使用時為保證完全開啟、完全導(dǎo)通,設(shè)計上要多預(yù)留余量,比如實際電路中Vgs起碼給到1.8V。因為1.8V的設(shè)計參數(shù)接近數(shù)據(jù)手冊標(biāo)注的1V臨界值,尤其注意用實驗驗證,確保萬無一失。

總結(jié)

3.3V跟5V互轉(zhuǎn)的電路已經(jīng)是一個經(jīng)典電路,實在是硬件設(shè)計師居家旅行、護院看家,必備良藥!MOS管型號就記住用2N7002,這個型號便宜,性能久經(jīng)考驗,不像有些MOS管外型看起來跟2N7002一樣,但實際是大功率的,有部分性能規(guī)格浪費了,有部分性能規(guī)格又不一定能滿足需要,主要是還賊貴,具體其他MOS是怎樣的這里就不細究啦。
最后,關(guān)于電路的學(xué)習(xí),希望大家,enjoy! 喜歡請點贊并轉(zhuǎn)發(fā)支持我們,您的轉(zhuǎn)發(fā)就是我們繼續(xù)創(chuàng)作的最佳動力,謝謝大家!
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