一、前言
在我們設計的電路中，不同芯片的引腳使用的電壓不同，比如常見(jiàn)的 1.8V、3.3V、5V 等，我們需要對不同通信電平的設備進(jìn)行通信就需要使用電平轉換進(jìn)行電平匹配，本文介紹常見(jiàn)的電平轉換方法。
二、二極管電平轉換
典型應用：上拉電阻加二極管方案
圖1 二極管轉換電路
• 適用范圍：輸入信號電平大于輸出信號的轉換電路上
• 優(yōu)點(diǎn)：成本低，使用元件少
• 缺點(diǎn)：只能單向傳輸，且輸入信號電平大于輸出信號，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，以保證信號傳輸不會(huì )因為二極管的壓降過(guò)大導致電平讀取出錯。
工作過(guò)程分析：
當 3.3V 器件輸出高電平信號，由于上拉 5V 作用，信號輸入器件被上拉為 5V 電平。
當 3.3V 器件輸出低電平信號，使 OUTPUT 信號被拉低，從而信號輸入器件信號被拉低。
三、三極管電平轉換
三極管電路基本應用如下：
圖2 三極管轉換電路
• 適用范圍：輸入信號電平大于輸出信號的轉換電路上
• 優(yōu)點(diǎn)：成本低，使用元件少，相較于二極管不同的是，三極管信號輸入端可以用更小的電流驅動(dòng)，此處可能在某些外設驅動(dòng)能力較弱的情況下更具優(yōu)勢
• 缺點(diǎn)：只能單向傳輸，且輸入信號電平大于輸出信號
作用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)和二極管電路類(lèi)似，三極管也會(huì )因為 PN 結產(chǎn)生一定的壓降，從而在三極管的選型上，可以選擇導通壓降較低的三極管。
工作過(guò)程分析：
• 當 3.3V 器件輸出高電平信號，由于上拉 5V 作用，信號輸入器件被上拉為 5V 電平。
• 當 3.3V 器件輸出低電平信號，導致 PNP 二極管導通，從而信號輸入器件信號被拉低。
四、MOS 電平轉換：
• 適用范圍：適用于大部分需要電平轉換的應用場(chǎng)景
• 優(yōu)點(diǎn)：可以雙向傳輸，導通壓降一般較小，且傳輸頻率可以達到很高
下面以 I2C 的其中一條信號線(xiàn)進(jìn)行工作過(guò)程分析：
圖3 MOS 管轉換電路
當 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 SDA1 輸出低電平時(shí)：MOS 管 Q1 的 Vgs = 3.3V，大于導通電壓，MOS 管導通，SDA2 通過(guò) MOS 管被拉到低電平。
當 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 SDA2 輸出低電平時(shí)：MOS 管不導通，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 管導通，進(jìn)一步拉低了 SDA1 的電壓。
五、電平轉換芯片
如果信號的轉換頻率要求較高，而且不希望產(chǎn)生較大的電壓壓降，很多廠(chǎng)家都有設計專(zhuān)門(mén)的電平轉換芯片.
下面是某廠(chǎng)電平轉換芯片介紹，芯片特性如下：
• 電平轉換范圍廣：VCC(A): 1.65 V to 3.6 V and VCC(B): 2.3 V to 5.5 V
• 最大數據速率：50 Mbps
• 多種封裝
• 轉換通道數：4
• 主要適用于：I2C，UART，GPIO 等
圖4 NTS0104 典型應用
六、結語(yǔ)
電平轉換的方式和電路較多，可以根據實(shí)際需要選擇合適的方案，目前電平轉換芯片已經(jīng)很成熟，建議選擇電平轉換芯片會(huì )更適用于絕大多數情況。 |
