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基于NMOSFET的电平转换电路设计

一、概述:

  在单片机系统中,5V、3.3V是芯片常用的电平。而在传输协议中(如IIC、SPI等协议),存在芯片与芯片的高电平和低电平定义的范围不一样,所以需要存在一个电平转换电路,来使芯片与芯片之间顺利的传输。
 

二、前置知识

  该电路是通过N沟道MOSFET管的开关来实现的。所以先让我们探讨NMOSFET是怎样工作的?

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图2.1 增强型NMOSFET的符号
 

  ①当UGSU_{GS}UGS > UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)时,D和S的N沟道导通,这时在D和S间加上电压,电流将会在从D流向S。
  (不同型号的NMOS管,他们的UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)不同,即开启电压不一样。详情请参考他们的数据手册)
 
  ②当UGSU_{GS}UGS < UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)时,D和S的N沟道不导通,NMOSFET将截止,DS间则无电流流过。
 
  注:本文着重于电平转换电路,如还是无法明白NMOS管的导通原理,建议去看一下模电书本,再进行下面阅读。
 

三、电路实现

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图3.1 电平转换电路

 

四、电路仿真(multisim)

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图4.1.1 5V转3.3V仿真电路
 

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图4.1.2 5V转3.3V仿真电路
 

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图4.2.1 3.3V转5V仿真电路
 

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图4.2.2 3.3V转5V仿真电路
 

五、电路实现原理

5.1 5V转3.3V

  ①当左边输入5V时,UGSU_{GS}UGS = 0V(UG=3.3VU_G = 3.3VUG=3.3VUSU_SUS = 3.3V),所以NMOSFET截止,DS不导通,所以右边电平被拉到了3.3V。
  如下图5.1.1.1所示。
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图5.1.1.1 5V转3.3V电路
 

  ②当左边输入0V时,右边为3.3V。这时NMOS管下面的二极管导通,右边电位被钳位在0.7V左右。如下图5.1.2.1所示。
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图5.1.2.1 5V转3.3V电路
 

  这时的 UGSU_{GS}UGS = 2.6V,NMOS管被导通,DS可以流过电流。由于D和S间的电压比二极管的电压小,所以二极管被短路了,右边电压变成了0V。如下图5.1.2.2所示。(AO3402的UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)大约在1.5V左右。右边电压不是准确的0V,由于RDSR_{DS}RDS电阻的存在,右边大概几百mV到几十mV。)

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图5.1.2.2 5V转3.3V电路
 

5.2 3.3V转5V

  ①当右边电压为3.3V,UGS=0VU_{GS}=0VUGS=0V,NMOS管被截止,左边电平就会被拉到5V。如下图5.2.1.1所示。

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图5.2.1.1 3.3V转5V电路
 

  ②当右边电压为0V时,UGS=3.3VU_{GS}=3.3VUGS=3.3V,这时NMOS管导通,左边电压为0V。如下图5.2.2.1所示。
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图5.2.2.1 3.3V转5V电路
 

六、注意事项

  ①左边电压一定要比右边高,否则NMOS下面的二极管一直处于导通状态,导致无法进行电平转换。错误电路如下图6.1.1所示。
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图6.1.1 电平转换的错误电路
 

  ②上拉电阻10K没有明确的值,具体要看电路设计中需要多大阻值,通常选3.3K、10K等电阻。当千万取阻值过小,
  否则有可能导致电阻上下两端电压接近,从而无法电平转换。

  ③NMOS的开启电压,有高压的MOS管和低压的MOS管,要根据器件的数据手册和具体电路要求进行选取,
  千万不要当NMOS管是有恒定的开启电压。

  ④除了5V转3.3V,还可以1.26V转5V,要根据具体的情况选取合适的电压。如下图6.4.1所示.
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图6.4.1 1.26V转5V
 

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