双向电平转换电路
我们来讨论一款经典的双向电平转换电路,相应电路如下图所示。
该电路的核心是一个N沟道增强型场效应管,其开关特性与NPN三极管相似,以相应的开关电路为例,当输入为低电平“L”时,场效应管VT1处于截止状态,相当于一个处于断开状态的开关,如下图所示:
当输入为高电平“H”时,场效应管VT1处于导通状态,相当于一个处于闭合状态的开关,如下图所示:
对于电平转换应用电路,场效应管的选型参数主要关注栅-源电压(Gate Source Voltage, VGS),其值不能过小,否则场效应管将由于VGS小于栅极阈值电压(GateThreshold Voltage)而无法导通(或阻值较大)。某款场效应管的电气参数如下表所示,这意味着VGS不应该小于1.4V,为了电路工作稳定起见,最好保证不小于2.5V。
当然,VGS也不能过大,否则可能会击穿绝缘层而损坏场效应管。某款场效应管的电气参数如下表所示,这意味着VGS的绝对值不应该大于12V。
我们接下来分析一下双向电平转换电路的基本原理,首先看看从左向右的电平转换原理(3.3V转为5V)。当左侧D0输入高电平“H”时,由于VGS为0,所以VT1是不导通的,右侧D1被电阻R2上拉为高电平(5V),如下图所示。
当左侧D0输入低电平“L”时,由于VGS为3.3V,所以VT1处于导通状态,右侧D1被下拉至与D0相同的低电平,如下图所示:
再来看看从右向左的电平转换原理(5V转为3.3V)。假设左侧D0为高电平,当右侧D1输入高电平“H”时,由于VGS为0,所以VT1是不导通的,左侧D0被电阻R1上拉为高电平(3.3V),如下图所示。
当右侧D1输入高电平“H”时,转换过程需要细分为两个阶段。由于左侧D0初始为高电平“H”,VGS为0,所以VT1是不导通的,但由于场效应管有一个寄生二极管,它会将D0下拉至低电平(比D1高约一个二极管压降,此处暂定为0.7V),所以D0也算是低电平,如下图所示。
紧接着,此时VGS(3.3V-0.7V=2.6V)大于场效应管的栅极阈值电压而使VT1导通,D0的电平又被进一步降低(与D1基本没有差别),如下图所示。
很多读者可能对3.3V转5V没有什么疑问,但对于5V转3.3V却有点不解,为什么要假定D0为高电平“H”呢? 因为这种电平转换电路通常只能用于收发双方都是开集(Open Collector, OC)或开漏(Open Drain, OD)结构输出的双向信号线,也就是说,收发双方都只有灌电流能力,而没有拉电流能力,就相当于一个与公共地连接的开关,如下图所示。
也就是说,输入高电平“H”都是由电源通过上拉电阻提供的。在开漏或开集结构输出的双向总线中,高电平通常是空闲状态,典型的应用就是I2C总线(有关I2C总线的详情可参考《显示器件应用分析精粹:从芯片架构到驱动程序设计》),如下图所示。
如果收发双方是推挽驱动(Push-Pull)结构方式,有可能会损坏收发芯片,因为会存在从电源到公共地的低阻路径,如下图所示。有关开漏、开集、推挽、灌与拉电流等详情可参考《三极管应用分析精粹:从单管放大到模拟集成电路设计》