MOS管构成的简易双向电平转换电路

本文通过USBDM电路图实例,详细分析了不同电压标准间的电平转换过程,包括从5V到3.3V及从3.3V到5V的双向转换,并解释了如何利用晶体管Q2实现这一转换。

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下图是USBDM电路图的一部分,我们借其分析一下电平转换过程:

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假设左边RST_IO是5V电平标准,右边BR1端是3.3V电平标准。我们分别对双高高低电平进行分析:

1、左向右高电平转换:当RST_IO为高电平5V时,若BR1电压低于VDD_BDM(3.3V),则Q2导通使BR1达到VDD_BDM(3.3V),当BR1达到VDD_BDM(3.3V)时Q2截止,从而使BR1可以达到VDD_BDM(3.3V)而达不到5V,实现了5V到3.3V的高电平变换。

2、左向右低电平转换:当RST_IO为低电平0V时,Q2的体内二极管导通,把BR1拉致0V,实现了5V到3.3V的低电平变换。

3、右向左高电平转换:当BR1为高电平5V时,Q2的体内二极管导通,把RST_IO拉致VDD_BDM,虽未达到5V,但可以达到输入高电平阀值,若RST_IO有上拉电阻,则可由上拉电阻的作用使之达到5V,实现3.3V到5V的高电平转换。

4、右向左低电平转换:当BR1为低电平0V时,Q2因VGS的作用而导通,把RST_IO拉致0V,实现3.3V到5V的低电平转换。

### 使用MOS管设计单向电平转换电路的方法和原理 #### 单向电平转换的基本概念 单向电平转换是指在一个方向上传输信号,而不需要考虑反向传输的情况。这种类型的电平转换通常应用于数据通信中的发送端或接收端,其中只需要将一个电压域的信号转换为另一个电压域即可。 #### MOS管的工作机制 MOS管是一种场效应晶体管,其工作基于栅源电压 \( V_{GS} \) 的大小决定漏极和源极之间的导通状态。对于N沟道增强型MOS管来说,当 \( V_{GS} \geq V_{th} \)(阈值电压)时,MOS管导通;反之则截止[^3]。 --- #### 设计方法与原理 ##### 方法一:低电平到高电平转换 在这种情况下,输入信号是从较低电压域(如 3.3V)转换至较高电压域(如 5V)。可以通过以下方式实现: 1. **电路结构** - 输入信号连接到MOS管的栅极。 - 源极接地。 - 漏极通过上拉电阻连接到目标电压域(如 5V)。 2. **工作原理** 当输入信号为低电平时 (\( V_{in} = 0V \)),\( V_{GS} = 0V \),因此MOS管处于截止状态,输出端由上拉电阻保持在高电平 (5V)。 当输入信号为高电平时 (\( V_{in} = 3.3V \)),如果该电压足以使MOS管导通 (\( V_{GS} > V_{th} \)),那么MOS管开启并将输出端拉低至接近地电位。 ```plaintext +5V | R_up | ----|---- Output | / Input ---G---/ M OSFET S--- | GND ``` ##### 方法二:高电平到低电平转换 此场景下,输入信号来自较高电压域(如 5V),需将其转换成较低电压域(如 3.3V)。 1. **电路结构** - 输入信号接至MOS管的栅极。 - 源极接到目标电压域(如 3.3V)。 - 漏极作为输出端并串联限流电阻以防过载。 2. **工作原理** 若输入信号为低电平 (\( V_{in} = 0V \)),由于 \( V_{GS} = 0V \),MOS管不会导通,故输出端呈现高阻态,默认跟随源极电压即 3.3V。 如果输入信号变为高电平 (\( V_{in} = 5V \)) 并且超过门限电压,则MOS管进入饱和区,使得输出端被钳制于近似零伏特附近。 ```plaintext +3.3V | Source | -----|----- Output D / Input --G--/-- MOSFET S----- | GND ``` --- #### 注意事项 - 上拉电阻的选择应综合考量功耗需求与响应时间。较小阻值能加快充放电过程但增加静态电流消耗;较大阻值虽节省能量却可能引起较慢切换速率。 - 需要确认所选MOS管的最大允许 \( V_{GS} \) 是否适应实际应用场景下的高低压差范围以免损坏元件。 ---
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