经典MOS管电平转换电路

chenbeihai1023

! r6 [# L4 R- g+ ]
/ Q0 J- `- p( D" Z' L1 f

' i+ z7 u! ^! R" VMOS管电平转换电路
电平转换在电路设计中非常常见，因为做电路设计很多时候就像在搭积木，这个电路模块，加上那个电路模块，拼拼凑凑连起来就是一个电子产品了。而各电路模块间经常会出现电压域不一致的情况，所以模块间的通讯就要使用电平转换电路了。
, n+ s5 L* e# l5 g4 }" _
上图是用MOS管实现的I2C总线电平转换电路，实现3.3V电压域与5V电压域间的双向通讯。挂在总线上的有3.3V的器件，也有5V的器件，通过这个电路，大家就可以愉快地玩耍聊天了。

实物对照图如下。实物的上拉电阻用了4.7K欧姆，可以提供更大的电流驱动能力。在满足电路性能的前提下，我喜欢用阻值更大的电阻，因为功耗更低更省电。
# k" Y- e) ~1 Q+ ]: W1 @$ ^
9 V) g) l: j1 Z& ^' T原理分析
0 ~. N3 }& P8 L8 ^$ N8 l简化来看，留下I2C的一根线来分析就可以了，如下图。

3 f6 U- O# p4 a; H8 y, X

/ h/ [" l& g; v6 |) B- v7 S

分四种情况：
: D$ m% u7 R1 G: B5 g9 e
1、当SDA1输出高电平时：MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管关闭，SDA2被电阻R3上拉到5V。

2、当SDA1输出低电平时：MOS管Q1的Vgs = 3.3V，大于导通电压，MOS管导通，SDA2通过MOS管被拉到低电平。
. g0 ?: J3 `8 X8 T( M) O# B3 n
' G& o7 z6 Q' I1 \3、当SDA2输出高电平时：MOS管Q1的Vgs不变，MOS维持关闭状态，SDA1被电阻R2上拉到3.3V。
' A# F# P5 x1 x
5 R% Y& Q/ O% f6 Z0 e) F) D8 P4、当SDA2输出低电平时：MOS管不导通，但是它有体二极管！MOS管里的体二极管把SDA1拉低到低电平，此时Vgs约等于3.3V，MOS管导通，进一步拉低了SDA1的电压。

2 N3 b" [. Z0 [7 S* d1 S5 `注：低电平指等于或接近0V。高电平指等于或接近电源电压。所以3.3V电压域的器件，其高电平为等于或接近3.3V；5V电压域的器件，其高电平为等于或接近5V。
( u9 ]( l( Q2 s2 J  L1 d5 ~
$ y/ s7 v$ P  z6 P: F/ d) G具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的，常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平，0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5V的时候，5 x 0.3 = 1.5V 以下为低电平，5 x 0.7 = 3.5V 以上为高电平。


某一个芯片数据手册里关于高低电平的阈值范围说明


/ c/ Z. G& u; K0 T0 f$ w注意事项
以上是3.3V与5V之间的情况，如果换用其他电压域之间的转换，如3.3V、2.5V、1.8V等电压值的两两之间，需要注意MOS管的Vgs开启导通电压。
& ^( e' t6 s0 _/ [1 k
给MOS管过高的Vgs会导致MOS管烧坏！给过低的Vgs会导致MOS管打不开！不同型号的MOS管这个参数值还不一样！！！
( R0 ~0 n/ X) {2 s0 ^& Y. v! z4 A

举例：其中一个厂家生产的2N7002的数据手册，Vgs不能超过正负20V
再来看一下，设计电路时Vgs可能设计过小的情况，下图是2N7002的数据手册：

0 @' I2 |( Z2 r: O
+ a/ j" p! R  p  f) r: P* z7 l举例：其中一个厂家生产的2N7002的数据手册，Vgs的开启电压为1V
3 ~% ]2 y3 w. I9 |. F9 ]) c# q# I: \! | 实际使用时为保证完全开启、完全导通，设计上要多预留余量，比如实际电路中Vgs起码给到1.8V。因为1.8V的设计参数接近数据手册标注的1V临界值，尤其注意用实验验证，确保万无一失。

总结
8 \# D5 {0 @3 ]' C0 l3.3V跟5V互转的电路已经是一个经典电路，实在是硬件设计师居家旅行、护院看家，必备良药！MOS管型号就记住用2N7002，这个型号便宜，性能久经考验，不像有些MOS管外型看起来跟2N7002一样，但实际是大功率的，有部分性能规格浪费了，有部分性能规格又不一定能满足需要，主要是还贼贵，具体其他MOS是怎样的这里就不细究啦。
————————————————
( _8 k: d' N, E% N  G

, L3 U# V( Q3 R5 ^

bazhonglei

理论虽美好，但是还要考虑信号工作频率，信号上升沿下降沿，特别是对高速信号。MOS的结电容、寄生电容不容忽视

aid4her

电路模块间经常会出现电压域不一致的情况，电平转换电路就是针对模块间的通讯

i265

如果串口 TX RX能不能双向通讯

chenbeihai1023

aid4her 发表于 2022-7-1 17:41
+ j) C+ V) i- i; D3 x! I+ N电路模块间经常会出现电压域不一致的情况，电平转换电路就是针对模块间的通讯

1 r' M, y# a1 I( s1 y是的，针对不同电平通讯会搭建电平转换，确保通行正常。
1 x. c6 M2 G/ D! A# \6 h

chenbeihai1023

i265 发表于 2022-7-1 21:05
. ~1 @9 g/ Y: z  ]+ ?; r4 c, g如果串口 TX RX能不能双向通讯

不行，USB转TTL除了需要做电平转换，还需要做协议装换（USB 通信协议-标准UART 串行通信协议），所以必须要有转换芯片。

hwyucccccc

用这个电路搭的3.3V和1.8V的电平转换，出现了1.8V端信号有过冲是啥问题。按理我的发送和接收端都加了匹配电阻的

6940

可以免费送样吗?
& G1 o3 q- n" a: w