电平转换电路的分析-MOS管、三极管

最新推荐文章于 2025-04-14 20:56:12 发布

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分类专栏：硬件-基础知识文章标签：电平转换电路 Level Shift MOS电平转换

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电平转换电路在电路设计中会经常用到，市面上也有专用的电平转换芯片，专用的电平转换芯片主要是其转换速度较快，多使用在速度较高的通讯接口，一般对速度要求不高的控制电路，则可使用此文介绍的分立器件搭建的电平转换电路。

1、NPN三极管
下图使用NPN三极管搭建的电平转化电路属于单向的电平转换
信号发生器：3.3V，10k，50%，方波
注意事项：（1）该电路的信号只能单向传输，b→c。也可以使用NPN三极管+二极管模拟一个NMOS管来实现双向传输，但一般不会这样使用，故此处不做介绍；
（2）输入输出为反向，可通过两个三极管解决反向的问题，但会影响整体电路的延时和转换速度；
（3）三极管所能达到的开关速度约为几十khz，下次补上实际的测试数据。
备注：该电路所能达到的转换速度主要由三极管的导通延时和c极的放电回路所产生的延时、三极管的断开延时和c极的充电回路所产生的延时产生。三极管一般不存在导通延时，且ce导通时，ce本身就是“非常好”的放电回路，故放电回路也不会存在延时问题，即导通期间几乎不存在延时。三极管断开时会存在延时，一般为us级别，不同型号具体参数也不同，且断开时，c极需要充电，即R2、Cce的充电回路也会产生延时，此延时一般取3个 $\tau$ 的延时，故断开期间的总延时为Toff + 3R2 * Cce = Toff + 3 $\tau$ ，对于一般应用而言，断开期间的总延时需要小于1/3的时间长度。即Toff + 3 $\tau$ ＜ 1/3 * 1/2T，故T ＞ 6（Toff + 3 $\tau$ ）。故理论上最大的转换频率为f ＜1/{6(Toff + 3 $\tau$ )}。
Toff和Cce可通过三极管规格书查阅，R2为设计参数。
图3中的T1-T2即为三极管的断开延时，此仿真数据为383ns。
在此啰嗦一下，上述理论频率是基于两个前提条件：1、50%占空比；2、断开期间的总延时需要小于1/3的时间长度。

图 3 三极管的断开延时

2、NMOS管
下图使用NMOS管搭建的电平转化电路属于双向的电平转换
信号发生器：3.3V，10k，50%，方波（图5）；5.0V，10k，50%，方波（图7）
原理分析：（1）S→D方向
S为低电平时，Vgs导通，故漏极D为低电平；此处需要注意电路是否满足Vgs的导通电压
S为高电平时，Vgs截止，故漏极D由于VCC1的上拉而为高电平。
（2）D→S方向
D为低电平时，存在VCC、R2、NMOS的体二极管回路，故源极S为低电平；二极管压降大小和流过的电流相关
D为高电平时，上述回路不存在，故源极S由于VCC的上拉而为高电平。
注意事项：（1）VCC1 ＞ VCC - 0.7，否则在D→S传输高电平时会出现问题，即Vs = VCC1 + 0.7，此时的Vs < VCC；
（2）需要注意MOS管的Vgs导通电压，一般涉及到1.8V的电路需要注意器件选型；
（3）MOS管所能达到的开关速度约为100khz左右（需要将R1改为0Ω），下次补上实际的测试数据；
（4）PMOS管只能实现单向的电平转换，不能双向。
备注：D→S方向，源极的高电平会出现5.0V的峰值（图7），因为ds之间存在寄生电容，所以d级电平快速的从0变为5.0V时，存在电荷泵现象（电容两端的电压不能突变），导致s级的电压直接泵到5.0V，但马上会通过R2、VCC将多余的电压释放掉。若将信号发生器XFG1的上升时间设置为1us（默认为1ps）,则几乎不存在5.0V峰值，因为此时s级在泵到5.0V的过程中就已经同时通过R2、VCC泄放电压了。将R1改为0Ω便解决了电荷泵的峰值问题，且开关速度能大幅提高，达到100k左右，因为此时的R1*Cgs的延时变小了，MOS管开关速度变快了。MOS管是电压驱动型，R1改为0Ω不会存在什么问题。

图4 S→D

图5 S→D仿真数据

图6 D→S

图7 D→S仿真数据