19种电压转换的电路设计方法（下）

liuyian2011 · 发表于 2021-11-10 18:06

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技巧十四：3.3V→5V模拟增益模块

从3.3V电源连接至5V时，需要提升模拟电压。33kΩ和17kΩ电阻设定了运放的增益，从而在两端均使用满量程。11kΩ电阻限制了流回3.3V电路的电流。

技巧十五：3.3V→5V模拟补偿模块

该模块用于补偿3.3V转换到5V的模拟电压。下面是将3.3V电源供电的模拟电压转换为由5V电源供电。右上方的147kΩ、30.1 kΩ电阻以及+5V电源，等效于串联了25 kΩ电阻的0.85V电压源。这个等效的25kΩ电阻、三个25 kΩ电阻以及运放构成了增益为1 V/V的差动放大器。0.85V等效电压源将出现在输入端的任何信号向上平移相同的幅度；以3.3V/2 = 1.65V为中心的信号将同时以5.0V/2 = 2.50V 为中心。左上方的电阻限制了来自5V电路的电流。

技巧十六：5V→3.3V有源模拟衰减器

此技巧使用运算放大器衰减从5V至3.3V系统的信号幅值。

要将5V模拟信号转换为3.3V模拟信号，最简单的方法是使用R1:R2 比值为1.7:3.3的电阻分压器。然而，这种方法存在一些问题。

1）衰减器可能会接至容性负载，构成不期望得到的低通滤波器。

2）衰减器电路可能需要从高阻抗源驱动低阻抗负载。

无论是哪种情形，都需要运算放大器用以缓冲信号。

所需的运放电路是单位增益跟随器（见图 16-1）。

电路输出电压与加在输入的电压相同。

为了把5V信号转换为较低的3V信号，我们只要加上电阻衰减器即可。

如果电阻分压器位于单位增益跟随器之前，那么将为3.3V电路提供最低的阻抗。此外，运放可以从3.3V供电，这将节省一些功耗。如果选择的X非常大的话，5V侧的功耗可以最大限度地减小。

如果衰减器位于单位增益跟随器之后，那么对5V源而言就有最高的阻抗。运放必须从5V供电，3V侧的阻抗将取决于R1||R2的值。

技巧十七：5V→3.3V模拟限幅器

在将5V信号传送给3.3V系统时，有时可以将衰减用作增益。如果期望的信号小于5V，那么把信号直接送入3.3V ADC将产生较大的转换值。当信号接近5V时就会出现危险。所以，需要控制电压越限的方法，同时不影响正常范围中的电压。这里将讨论三种实现方法。

1. 使用二极管，钳位过电压至3.3V供电系统。

2. 使用齐纳二极管，把电压钳位至任何期望的电压限。

3. 使用带二极管的运算放大器，进行精确钳位。

进行过电压钳位的最简单的方法，与将5V数字信号连接至3.3V数字信号的简单方法完全相同。使用电阻和二极管，使过量电流流入3.3V 电源。选用的电阻值必须能够保护二极管和3.3V电源，同时还不会对模拟性能造成负面影响。如果3.3V电源的阻抗太低，那么这种类型的钳位可能致使3.3V电源电压上升。即使3.3V电源有很好的低阻抗，当二极管导通时，以及在频率足够高的情况下，当二极管没有导通时（由于有跨越二极管的寄生电容），此类钳位都将使输入信号向3.3V电源施加噪声。

为了防止输入信号对电源造成影响，或者为了使输入应对较大的瞬态电流时更为从容，对前述方法稍加变化，改用齐纳二极管。齐纳二极管的速度通常要比第一个电路中所使用的快速信号二极管慢。不过，齐纳钳位一般来说更为结实，钳位时不依赖于电源的特性参数。钳位的大小取决于流经二极管的电流。这由R1的值决定。如果VIN源的输出阻抗足够大的话，也可不需要R1。

如果需要不依赖于电源的更为精确的过电压钳位，可以使用运放来得到精密二极管。电路如图17-3所示。运放补偿了二极管的正向压降，使得电压正好被钳位在运放的同相输入端电源电压上。如果运放是轨到轨的话，可以用3.3V供电。

由于钳位是通过运放来进行的，不会影响到电源。

运放不能改善低电压电路中出现的阻抗，阻抗仍为R1加上源电路阻抗。

技巧十八：驱动双极型晶体管

在驱动双极型晶体管时，基极 “驱动”电流和正向电流增益（Β/hFE）将决定晶体管将吸纳多少电流。如果晶体管被单片机I/O端口驱动，使用端口电压和端口电流上限（典型值 20 mA）来计算基极驱动电流。如果使用的是3.3V技术，应改用阻值较小的基极电流限流电阻，以确保有足够的基极驱动电流使晶体管饱和。

RBASE的值取决于单片机电源电压。公式18-1说明了如何计算RBASE。

如果将双极型晶体管用作开关，开启或关闭由单片机I/O端口引脚控制的负载，应使用最小的hFE规范和裕度，以确保器件完全饱和。

3V技术示例：

对于这两个示例，提高基极电流留出裕度是不错的做法。将1 mA的基极电流驱动至2 mA能确保饱和，但代价是提高了输入功耗。

技巧十九：驱动N沟道MOSFET晶体管

在选择与3.3V单片机配合使用的外部N沟道MOSFET时，一定要小心。MOSFET栅极阈值电压表明了器件完全饱和的能力。对于3.3V应用，所选MOSFET的额定导通电阻应针对3V或更小的栅极驱动电压。例如，对于具有3.3V驱动的100 mA负载，额定漏极电流为250μA的FET在栅极-源极施加1V电压时，不一定能提供满意的结果。在从5V转换到3V技术时，应仔细检查栅极-源极阈值和导通电阻特性参数，如图19-1所示。稍微减少栅极驱动电压，可以显著减小漏电流。

对于MOSFET，低阈值器件较为常见，其漏－源电压额定值低于30V。漏－源额定电压大于30V的 MOSFET，通常具有更高的阈值电压（VT）。

如表19-1所示，此30V N沟道MOSFET开关的阈值电压是0.6V。栅极施加2.8V的电压时，此MOSFET的额定电阻是35mΩ，因此，它非常适用于3.3V应用。

对于IRF7201数据手册中的规范，栅极阈值电压最小值规定为1.0V。这并不意味着器件可以用来在1.0V栅-源电压时开关电流，因为对于低于4.5V的VGS（th），没有说明规范。对于需要低开关电阻的3.3V 驱动的应用，不建议使用IRF7201，但它可以用于5V驱动应用。