基于NMOSFET的电平转换电路设计(详细版)

一、概述：

  在单片机系统中，5V、3.3V是芯片常用的电平。而在传输协议中(如IIC、SPI等协议)，存在芯片与芯片的高电平和低电平定义的范围不一样，所以需要存在一个电平转换电路，来使芯片与芯片之间顺利的传输。
 

二、前置知识

  该电路是通过N沟道MOSFET管的开关来实现的。所以先让我们探讨NMOSFET是怎样工作的？

图2.1 增强型NMOSFET的符号  

  ①当$U_{GS}$ > $U_{GS}(th)$时，D和S的N沟道导通，这时在D和S间加上电压，电流将会在从D流向S。
  （不同型号的NMOS管，他们的$U_{GS}(th)$不同，即开启电压不一样。详情请参考他们的数据手册）
 
  ②当$U_{GS}$ < $U_{GS}(th)$时，D和S的N沟道不导通，NMOSFET将截止，DS间则无电流流过。
 
  注：本文着重于电平转换电路，如还是无法明白NMOS管的导通原理，建议去看一下模电书本，再进行下面阅读。
 

三、电路实现

图3.1 电平转换电路

 

四、电路仿真(multisim)

图4.1.1 5V转3.3V仿真电路  

图4.1.2 5V转3.3V仿真电路  

图4.2.1 3.3V转5V仿真电路  

图4.2.2 3.3V转5V仿真电路  

五、电路实现原理

5.1 5V转3.3V

  ①当左边输入5V时，$U_{GS}$ = 0V($U_G=3.3V$、$U_S$ = 3.3V)，所以NMOSFET截止，DS不导通，所以右边电平被拉到了3.3V。
  如下图5.1.1.1所示。

图5.1.1.1 5V转3.3V电路  

  ②当左边输入0V时，右边为3.3V。这时NMOS管下面的二极管导通，右边电位被钳位在0.7V左右。如下图5.1.2.1所示。

图5.1.2.1 5V转3.3V电路  

  这时的 $U_{GS}$ = 2.6V，NMOS管被导通，DS可以流过电流。由于D和S间的电压比二极管的电压小，所以二极管被短路了，右边电压变成了0V。如下图5.1.2.2所示。(AO3402的$U_{GS}(th)$大约在1.5V左右。右边电压不是准确的0V，由于$R_{DS}$电阻的存在，右边大概几百mV到几十mV。)

图5.1.2.2 5V转3.3V电路  

5.2 3.3V转5V

  ①当右边电压为3.3V，$U_{GS}=0V$，NMOS管被截止，左边电平就会被拉到5V。如下图5.2.1.1所示。

图5.2.1.1 3.3V转5V电路  

  ②当右边电压为0V时，$U_{GS}=3.3V$，这时NMOS管导通，左边电压为0V。如下图5.2.2.1所示。

图5.2.2.1 3.3V转5V电路  

六、注意事项

  ①左边电压一定要比右边高，否则NMOS下面的二极管一直处于导通状态，导致无法进行电平转换。错误电路如下图6.1.1所示。

图6.1.1 电平转换的错误电路  

  ②上拉电阻10K没有明确的值，具体要看电路设计中需要多大阻值，通常选3.3K、10K等电阻。当千万取阻值过小，
  否则有可能导致电阻上下两端电压接近，从而无法电平转换。

  ③NMOS的开启电压，有高压的MOS管和低压的MOS管，要根据器件的数据手册和具体电路要求进行选取，
  千万不要当NMOS管是有恒定的开启电压。

  ④如果电平转换的上升沿或者下降沿的时间比较长，可以适当降低上拉电阻的阻值，如：3.3k、1.8k的电阻。

  ⑤除了5V转3.3V，还可以1.26V转5V，要根据具体的情况选取合适的电压($U_{GS}$电压)。如下图6.4.1所示。

图6.4.1 1.26V转5V