回到 ENIAC 時(shí)代，計(jì)算機(jī)本質(zhì)上更多是模擬的，并且使用的數(shù)字 IC 很少。今天，Joe的計(jì)算機(jī)一般可以在多個(gè)電壓等級(jí)下工作，看過 CPU SMPS 的人會(huì)注意到您的計(jì)算機(jī)需要 ±12V、+5V 和 +3.3V 才能運(yùn)行。這些電壓水平對(duì)于計(jì)算機(jī)來說非常重要。特定的電壓決定了信號(hào)的狀態(tài)（高或低）。計(jì)算機(jī)將這種高狀態(tài)作為二進(jìn)制 1 接受，將低狀態(tài)作為二進(jìn)制 0 接受。根據(jù) 0 和 1 條件，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)、代碼和指令以提供所需的輸出。

現(xiàn)代邏輯電壓電平在 1.8V 到 5V 之間變化很大。標(biāo)準(zhǔn)邏輯電壓為 5V、3.3V、1.8V 等。但是，使用 5V 邏輯電平（例如Arduino ）的系統(tǒng)或控制器如何與使用 3.3V（例如ESP8266）或任何其他不同電壓的另一個(gè)系統(tǒng)通信等級(jí)？這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在許多設(shè)計(jì)中，其中使用了多個(gè)微控制器或傳感器，這里的解決方案是使用邏輯電平轉(zhuǎn)換器或邏輯電平轉(zhuǎn)換器。在本文中，IC先生網(wǎng)將了解有關(guān)邏輯電平轉(zhuǎn)換器的更多信息，我們還將使用 MOSFET 構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路這將對(duì)您的電路設(shè)計(jì)派上用場(chǎng)。

高電平和低電平輸入電壓

但是，從微處理器或單片機(jī)方面來看，邏輯電壓電平值并不是固定的；它有一些容忍度。例如，對(duì)于 5V 邏輯電平微控制器，可接受的邏輯高電平（邏輯 1）是最小 2.0V（最小高電平輸入電壓）至最大 5.1V（最大高電平輸入電壓）。同樣，對(duì)于邏輯低（邏輯 0），可接受的電壓值是從 0V（最小低電平輸入電壓）到 8V（最大低電平輸入電壓）的最大值。

以上示例適用于 5V 邏輯電平微控制器，但也可提供 3.3V 和 1.8V 邏輯電平微控制器。在這種類型的微控制器中，邏輯電平電壓范圍會(huì)有所不同。您可以從該特定控制器 IC 的數(shù)據(jù)表中獲取相關(guān)信息。使用電壓電平轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)注意高壓值和低壓值在這些參數(shù)的限制范圍內(nèi)。

雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器

根據(jù)應(yīng)用和技術(shù)結(jié)構(gòu)，可提供兩種類型的電平轉(zhuǎn)換器，單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器和雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器。在單向電平轉(zhuǎn)換器中，輸入引腳專用于一個(gè)電壓域，輸出引腳專用于另一個(gè)電壓域，但雙向電平轉(zhuǎn)換器并非如此，它可以雙向轉(zhuǎn)換邏輯信號(hào)。對(duì)于雙向電平轉(zhuǎn)換器，每個(gè)電壓域不僅有輸入引腳，還有輸出引腳。例如，如果您向輸入側(cè)提供 5.5V，它將在輸出側(cè)將其轉(zhuǎn)換為 3.3V，同樣，如果您向輸出側(cè)提供 3.3V，它將在輸入側(cè)將其轉(zhuǎn)換為 5V。

在本教程中，我們將構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的雙向電平轉(zhuǎn)換器，并將測(cè)試它的高到低轉(zhuǎn)換和低到高轉(zhuǎn)換。

簡(jiǎn)單的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器

下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的雙向邏輯轉(zhuǎn)換器電路。

該電路使用n 溝道 MOSFET將低壓邏輯電平轉(zhuǎn)換為高壓邏輯電平。也可以使用電阻分壓器構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯電平轉(zhuǎn)換器，但它會(huì)引入電壓損耗。基于 MOSFET 或晶體管的邏輯電平轉(zhuǎn)換器專業(yè)、可靠且集成更安全。

該電路還使用了兩個(gè)附加組件，R1 和 R2。那些是上拉電阻。由于零件數(shù)量最少，它也是一種具有成本效益的解決方案。根據(jù)上述電路，將構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的 3.3V 至 5V 雙向邏輯轉(zhuǎn)換器。

使用 MOSFET 的 5V 至 3.3V 電平轉(zhuǎn)換器

5V 到 3.3V的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路如下圖所示 -

如您所見，我們必須為電阻器 R1 和 R2 提供 5V 和 3.3V 的恒定電壓。Low_side_Logic_Input和High_Side_Logic_Input引腳可互換用作輸入和輸出引腳。

上述電路中使用的元件是

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170（N 溝道 MOSFET）。

兩個(gè)電阻都有 1% 的容差。容差為 5% 的電阻器也可以工作。BS170 MOSFET的引腳排列如下圖所示，順序?yàn)槁O、柵極和源極。

電路結(jié)構(gòu)由兩個(gè)每個(gè) 4.7k 的上拉電阻組成。MOSFET 的漏極和源極引腳被上拉到所需的電壓電平（在本例中為 5V 和 3.3V），以進(jìn)行低到高或高到低的邏輯轉(zhuǎn)換。您也可以為 R1 和 R2 使用 1k 到 10k 之間的任何值，因?yàn)樗鼈儍H用作上拉電阻。

為了達(dá)到完美的工作狀態(tài)，在構(gòu)建電路時(shí)需要滿足兩個(gè)條件。第一個(gè)條件是，低電平邏輯電壓（本例中為 3.3V）需要連接到 MOSFET 的源極，而高電平邏輯電壓（本例中為 5V）必須連接到 MOSFET 的漏極引腳。第二個(gè)條件是，MOSFET 的柵極需要連接到低壓電源（本例中為 3.3V）。

雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的仿真

使用仿真結(jié)果可以理解邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路的完整工作原理。正如您在下面的 GIF 圖像中看到的，在高電平到低電平的邏輯轉(zhuǎn)換期間，邏輯輸入引腳在 5V 和 0V（地）之間轉(zhuǎn)換，邏輯輸出為 3.3V 和 0V。

同樣，在低電平到高電平轉(zhuǎn)換期間，3.3V 和 0V 之間的邏輯輸入被轉(zhuǎn)換為 5V 和 0V 的邏輯輸出，如下圖 GIF 圖像所示。

邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路工作

滿足這兩個(gè)條件后，電路工作在三種狀態(tài)。狀態(tài)如下所述。

當(dāng)?shù)投颂幱谶壿?1 或高狀態(tài) (3.3V) 時(shí)。

當(dāng)?shù)投颂幱谶壿?0 或低狀態(tài) (0V) 時(shí)。

當(dāng)高端狀態(tài)從 1 變?yōu)?0 或從高變?yōu)榈停?V 到 0V）

當(dāng)?shù)投藶楦邥r(shí)，即 MOSFET 的源極電壓為 3.3V，由于未達(dá)到 MOSFET 的 Vgs 閾值點(diǎn)，MOSFET 不導(dǎo)通。此時(shí) MOSFET 的柵極為 3.3V，MOSFET 的源極也為 3.3V。因此，Vgs 為 0V。MOSFET 關(guān)閉。邏輯 1 或低端輸入的高狀態(tài)通過上拉電阻 R2 在 MOSFET 的漏極側(cè)反射為 5V 輸出。

在這種情況下，如果 MOSFET 的低端將其狀態(tài)從高電平變?yōu)榈碗娖剑瑒t MOSFET 開始導(dǎo)通。源為邏輯 0，因此高端也變?yōu)?0。

以上兩個(gè)條件成功地將低壓邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高壓邏輯狀態(tài)。

另一種工作狀態(tài)是 MOSFET 的高端將其狀態(tài)從高變?yōu)榈汀＿@是漏極襯底二極管開始導(dǎo)通的時(shí)間。MOSFET 低端被下拉至低電壓電平，直到 Vgs 越過閾值點(diǎn)。低壓部分和高壓部分的總線在同一電壓電平下都變低了。

轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度

設(shè)計(jì)邏輯電平轉(zhuǎn)換器時(shí)要考慮的另一個(gè)重要參數(shù)是轉(zhuǎn)換速度。由于大多數(shù)邏輯轉(zhuǎn)換器將用于 USART、I2C 等通信總線之間，因此邏輯轉(zhuǎn)換器的切換速度必須足夠快（轉(zhuǎn)換速度）以匹配通信線路的波特率。

轉(zhuǎn)換速度與 MOSFET 的開關(guān)速度相同。因此，在我們的案例中，根據(jù) BS170 數(shù)據(jù)表，MOSFET 的開啟時(shí)間和 MOSFET 的關(guān)閉時(shí)間如下所述。因此，為您的邏輯電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)選擇正確的 MOSFET非常重要。

所以我們這里的 MOSFET 需要 10nS 開啟和 10nS 關(guān)閉，這意味著它可以在一秒鐘內(nèi)開啟和關(guān)閉 10,00,000 次。假設(shè)我們的通信線路以每秒 115200 位（波特率）的速度運(yùn)行，那么這意味著它在一秒鐘內(nèi)僅打開和關(guān)閉 1,15,200 位。所以我們也可以很好地使用我們的設(shè)備進(jìn)行高波特率通信。

測(cè)試您的邏輯轉(zhuǎn)換器

測(cè)試電路需要以下組件和工具 -

具有兩種不同電壓輸出的電源。

兩個(gè)萬用表。

兩個(gè)觸覺開關(guān)。

用于連接的電線很少。

修改原理圖以測(cè)試電路。

在上面的示意圖中，引入了兩個(gè)額外的觸覺開關(guān)。此外，還連接了一個(gè)萬用表來檢查邏輯轉(zhuǎn)換。通過按下 SW1，MOSFET 的低端將其狀態(tài)從高電平變?yōu)榈碗娖剑壿嬰娖睫D(zhuǎn)換器作為低壓到高壓邏輯電平轉(zhuǎn)換器工作。

另一方面，通過按下SW2，MOSFET的高端將其狀態(tài)從高變?yōu)榈停⑶疫壿嬰娖睫D(zhuǎn)換器作為高壓到低壓邏輯電平轉(zhuǎn)換器工作。

該電路在面包板上構(gòu)建并經(jīng)過測(cè)試。

上圖顯示了 MOSFET 兩側(cè)的邏輯狀態(tài)。兩者都處于邏輯 1 狀態(tài)。

邏輯電平轉(zhuǎn)換器的局限性

該電路當(dāng)然有一些限制。這些限制高度依賴于MOSFET 的選擇。該電路可使用的最大電壓和漏極電流取決于 MOSFET 的規(guī)格。此外，最小邏輯電壓為 1.8V。由于 MOSFET 的 Vgs 限制，低于 1.8V 的邏輯電壓將無法正常工作。對(duì)于低于 1.8V 的電壓，可以使用專用的邏輯電平轉(zhuǎn)換器。

重要性和應(yīng)用

正如介紹部分所討論的，數(shù)字電子設(shè)備中不兼容的電壓電平是接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。因此，需要電平轉(zhuǎn)換器或電平轉(zhuǎn)換器來克服電路中與電壓電平相關(guān)的誤差。

由于電子市場(chǎng)中廣泛的邏輯電平電路以及不同電壓電平的微控制器的可用性，邏輯電平轉(zhuǎn)換器具有令人難以置信的用例。一些基于I2C、UART 或音頻編解碼器工作的外圍設(shè)備和傳統(tǒng)設(shè)備需要電平轉(zhuǎn)換器來與微控制器進(jìn)行通信。

流行的邏輯電平轉(zhuǎn)換器 IC

有很多廠商提供邏輯電平轉(zhuǎn)換的集成解決方案。流行的 IC 之一是MAX232。它是最常見的邏輯電平轉(zhuǎn)換器 IC 之一，可將微控制器邏輯電壓 5V 轉(zhuǎn)換為 12V。RS232 端口用于在帶有微控制器的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，需要 +/-12V。我們之前已經(jīng)使用MAX232 與 PIC和其他一些微控制器來連接微控制器與計(jì)算機(jī)。

根據(jù)極低電壓電平轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換速度、空間、成本等，也存在不同的要求。

SN74AX也是德州儀器 ( Texas Instruments) 流行的雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器系列。該細(xì)分市場(chǎng)中有許多 IC 提供單比特到 4 位電源總線的轉(zhuǎn)換以及附加功能。

另一種流行的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器 IC 是MaximIntegrated的MAX3394E。它使用與 MOSFET 相同的轉(zhuǎn)換拓?fù)洹Ｒ_圖可以在下圖中看到。該轉(zhuǎn)換器支持單獨(dú)的使能引腳，可以使用微控制器進(jìn)行控制，這是一項(xiàng)附加功能。

上述內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示了相同的MOSFET 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但具有 P 溝道配置。它具有許多額外的附加功能，例如I/O 和 VCC 線路上的 15kVESD 保護(hù)。典型示意圖如下圖所示。

上面的示意圖顯示了將 1.8V 邏輯電平轉(zhuǎn)換為 3.3V 邏輯電平的電路，反之亦然。可以是任何微控制器單元的系統(tǒng)控制器也控制著 EN 引腳。

審核編輯：湯梓紅