雙向電平轉(zhuǎn)換電路工作原理-KIA MOS管

雙向電平轉(zhuǎn)換電路

雙向電平轉(zhuǎn)換電路的核心組件是NMOS和上拉電阻。雙向電平轉(zhuǎn)換電路通過NMOS的導(dǎo)通與截止實(shí)現(xiàn)不同電壓域信號的雙向傳輸，利用寄生二極管和上拉電阻完成電平匹配。

NMOS管電平轉(zhuǎn)換電路

原理分析：

1、當(dāng)S（即TXD_1V8）輸出高電平時(shí)，MOS管Q4的Vgs=0，MOS管關(guān)閉，D（即UART1_RXD）被電阻R42上拉到3.3V；

2、當(dāng)S（即TXD_1V8）輸出低電平時(shí)，MOS管Q4的Vgs=1.8V，大于導(dǎo)通電壓閾值，MOS管導(dǎo)通，Net2通過MOS管被拉低到低電平；

3、當(dāng)D（即UART1_RXD）輸出高電平時(shí)，MOS管Q4的Vgs不變，MOS管維持關(guān)閉狀態(tài)，S（即TXD_1V8）被電阻R37上拉到1.8V；

4、當(dāng)D（即UART1_RXD）輸出低電平時(shí)，MOS管Q4不導(dǎo)通，MOS管先經(jīng)過體二極管把S（即TXD_1V8）拉低到低電平，此時(shí)Vgs≈1.8V，MOS管導(dǎo)通，進(jìn)一步拉低S（即TXD_1V8）的電壓。

注意事項(xiàng)：

1、高電壓＞低電壓–0.7V，否則在D→S傳輸高電平時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，即Vs=Vd+0.7，此時(shí)的Vs

2、需要注意MOS管的Vgs導(dǎo)通電壓，一般涉及到1.8V的電路需要注意器件選型；

3、PMOS管只能實(shí)現(xiàn)單向的電平轉(zhuǎn)換，不能雙向。

NMOS雙向電路特點(diǎn)：

由于雙向NMOS電路的電導(dǎo)電阻較大，適用于低頻信號電平轉(zhuǎn)換，并且價(jià)格低廉。NMOS雙向電路設(shè)計(jì)的制造成本較低，因此價(jià)格相對較低。導(dǎo)通后壓降比小于三極管。因此在一些需對電壓要求高的應(yīng)用場景中，NMOS電路更適合。正反雙向?qū)?，相?dāng)于機(jī)械開關(guān)。雙向NMOS電路可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于機(jī)械開關(guān)的正反雙向電導(dǎo)，因此在一些需要頻繁切換的應(yīng)用場景中，雙向NMOS電路也具有優(yōu)勢。

雙向電平轉(zhuǎn)換電路工作原理

I2C雙向電平轉(zhuǎn)換電路，在I2C主從設(shè)備對接時(shí)，需要考慮主從設(shè)備的電平情況，常規(guī)的主要有3種：5V，3.3V，1.8V。如果電平相同，比如都是3.3V，那么可以直接對接。如果電平不同，一個(gè)高電平是3.3V ，另外一個(gè)是1.8V，那么就需要接入其它的器件來做一下電平轉(zhuǎn)換，通常是接入NMOS管。

工作原理：

當(dāng)總線上沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，兩邊都沒有主動(dòng)去拉低總線，因此MOS管也不導(dǎo)通，都因?yàn)楦髯缘纳侠娮璐嬖?，左邊為高電?.3V，右邊為高電平5V。

當(dāng)左邊需要發(fā)送數(shù)據(jù)1到右邊時(shí)，即SDA1/SCL1為高電平3.3V，MOS管的Vgs=0，不導(dǎo)通，右邊因?yàn)樯侠娮璧拇嬖冢琒DA2/SCL2電平保持為5V。即可看作左邊正常將數(shù)據(jù)1發(fā)送到右邊。

當(dāng)左邊需要發(fā)送數(shù)據(jù)0到右邊時(shí)，即SDA1/SCL1為低電平0V，Vgs=3.3V，MOS管導(dǎo)通，右邊電壓就跟左邊電平一樣了，SDA2/SCL2為低電平0V。即可看作左邊正常將數(shù)據(jù)0發(fā)送到右邊。

當(dāng)右邊需要發(fā)送數(shù)據(jù)1到左邊時(shí)，即SDA2/SCL2為高電平5V，左邊SDA1/SCL1因?yàn)闆]有主動(dòng)拉低總線，所以MOS管不導(dǎo)通，左邊保持上拉電平3.3V。即可看作右邊將數(shù)據(jù)1正常發(fā)送到左邊。

當(dāng)右邊需要發(fā)送數(shù)據(jù)0到左邊時(shí) ，即SDA2/SCL2為低電平0V時(shí)，因?yàn)镸OS管體二極管的存在，體二極管導(dǎo)通，MOS管的S極被拉低，Vgs接近3.3V，MOS管導(dǎo)通，進(jìn)一步導(dǎo)致左邊和右邊電平一樣，為0V。即可看作右邊正常將數(shù)據(jù)0發(fā)送到左邊。

由上可知，不論I2C的主設(shè)備（Master）接在上面電路的左邊（低壓電源）還是右邊（高壓電壓），都是能夠正常通信的。

注意事項(xiàng)：

MOS管的S極要接到低電源那邊，不能接反。

MOS管的導(dǎo)通電壓需要注意。MOS管導(dǎo)通電壓門限（Vgsth里面的最大值）需要小于低電源電壓。

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