查看原文
其他

经典MOS管电平转换电路,硬件工程师必备小知识!

The following article is from 芯片之家 Author 梁锐

▼点击下方名片,关注公众号▼

电平转换在电路设计中非常常见,因为做电路设计很多时候就像在搭积木,这个电路模块,加上那个电路模块,拼拼凑凑连起来就是一个电子产品了。而各电路模块间经常会出现电压域不一致的情况,所以模块间的通讯就要使用电平转换电路了。

上图是用MOS管实现的I2C总线电平转换电路,实现3.3V电压域与5V电压域间的双向通讯。挂在总线上的有3.3V的器件,也有5V的器件,通过这个电路,大家就可以愉快地玩耍聊天了。

实物对照图如下。实物的上拉电阻用了4.7K欧姆,可以提供更大的电流驱动能力。在满足电路性能的前提下,我喜欢用阻值更大的电阻,因为功耗更低更省电。


原理分析

简化来看,留下I2C的一根线来分析就可以了,如下图。

分四种情况:

1、当SDA1输出高电平时:MOS管Q1的Vgs = 0,MOS管关闭,SDA2被电阻R3上拉到5V。

2、当SDA1输出低电平时:MOS管Q1的Vgs = 3.3V,大于导通电压,MOS管导通,SDA2通过MOS管被拉到低电平。

3、当SDA2输出高电平时:MOS管Q1的Vgs不变,MOS维持关闭状态,SDA1被电阻R2上拉到3.3V。

4、当SDA2输出低电平时:MOS管不导通,但是它有体二极管!MOS管里的体二极管把SDA1拉低到低电平,此时Vgs约等于3.3V,MOS管导通,进一步拉低了SDA1的电压。

注:

低电平指等于或接近0V。

高电平指等于或接近电源电压。所以3.3V电压域的器件,其高电平为等于或接近3.3V;5V电压域的器件,其高电平为等于或接近5V。

具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的,常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平,0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5V的时候,5 x 0.3 = 1.5V 以下为低电平,5 x 0.7 = 3.5V 以上为高电平。

某一个芯片数据手册里关于高低电平的阈值范围说明

注意事项

以上是3.3V与5V之间的情况,如果换用其他电压域之间的转换,如3.3V、2.5V、1.8V等电压值的两两之间,需要注意MOS管的Vgs开启导通电压。

给MOS管过高的Vgs会导致MOS管烧坏!给过低的Vgs会导致MOS管打不开!不同型号的MOS管这个参数值还不一样!!!

举例:其中一个厂家生产的2N7002的数据手册,Vgs不能超过正负20V

再来看一下,设计电路时Vgs可能设计过小的情况,下图是2N7002的数据手册:

举例:其中一个厂家生产的2N7002的数据手册,Vgs的开启电压为1V
实际使用时为保证完全开启、完全导通,设计上要多预留余量,比如实际电路中Vgs起码给到1.8V。因为1.8V的设计参数接近数据手册标注的1V临界值,尤其注意用实验验证,确保万无一失。

总结

3.3V跟5V互转的电路已经是一个经典电路,实在是硬件设计师居家旅行、护院看家,必备良药!MOS管型号就记住用2N7002,这个型号便宜,性能久经考验,不像有些MOS管外型看起来跟2N7002一样,但实际是大功率的,有部分性能规格浪费了,有部分性能规格又不一定能满足需要,主要是还贼贵,具体其他MOS是怎样的这里就不细究啦。


最后,关于电路的学习,希望大家,enjoy!喜欢请点赞并转发支持我们,您的转发就是我们继续创作的最佳动力,谢谢大家!

又来搞事情了

说下知识星球的事情:最近很多时间都放在知识整理上,因此公众号更新有点慢。目前在将公众号这几年的经典文章整理成合集放在知识星球上,已经整理了一些。整个整理工作估计会在2月底,最迟3月初结束,届时整理的PDF文档资料会发在知识星球供球友专用
最后给大家发放一波新人立减劵:面值39¥,2月28号之前加入即可享受优惠。过期不候。
扫码即可加入:
—— The End ——
微信公众号后台回复关键字“加群”,添加小编微信,拉你入技术群。
推荐阅读
buck芯片,上电瞬间波形震荡,如何解决?
硬件工程师的小圈子来了!!!
学到了!偏置电流是怎样影响运放电路的?
如何避免晶体管损坏?6个判定方法教你安全使用!
运算放大器7大经典电路实图分析!
分享 💬  点赞 👍  在看 ❤️ 
以“三连”行动支持优质内容!

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存