经典MOS管电平转换电路

chenbeihai1023

7 t5 U9 F8 v/ I2 B. x3 E: [
: F: y8 ^4 \0 E+ S$ {
MOS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。

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。
- e+ k0 v5 A/ F% D. q/ X
% f* Q/ [9 `  p: ~原理分析
! f- Z' R' Y8 B简化来看，留下I2C的一根线来分析就可以了，如下图。



4 d% ^* u( W: C8 m' G0 ~. i0 \& s
0 s- `& K( X9 j
5 D* F) W- O# u分四种情况：
7 U, P6 S5 V! @$ ?* S! {5 Y
/ r0 s8 w2 t6 A: y( {  C! ?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。
( ~. Z9 @" V1 i" V, F
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。

6 K( T+ P7 Q! E; h+ a4 h9 G3、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。

& [8 u2 t; w* t8 c( s! B: r4、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。

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。

. _' Z; ]7 l4 z4 }% E; V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。
1 b3 D- l6 H+ |9 O% U9 k' W/ g0 ?
! u0 V  E. Y2 x7 C5 F! i3 R
某一个芯片数据手册里关于高低电平的阈值范围说明
! G6 u3 g: y+ G3 I& |

- T+ g2 Y9 F- y$ X* o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。
" f% h3 D" s" \& ?& @5 O
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！！！

. X. H4 Q3 S! L3 M+ N0 e- U
1 t7 _* v% b  Y2 L2 X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：

+ Y# W4 K1 B% |3 J
! }$ N" p! R" m4 D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
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
$ J. S  F  c9 k  D6 x3.3V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。
% C+ Z& r/ |1 p- b, y8 O————————————————

+ ^! Y5 r! U. g1 i6 w

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
4 p/ ^( f9 I4 w/ u5 I1 `  _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

4 M) M$ j0 \  \6 X0 d5 |是的，针对不同电平通讯会搭建电平转换，确保通行正常。

chenbeihai1023

i265 发表于 2022-7-1 21:05
+ {$ r7 H' L5 X9 d7 ^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?
3 g5 h% p( K" B1 p$ j