經(jīng)典MOS管電平轉(zhuǎn)換電路，硬件工程師居家旅行、看門護(hù)院的必備良藥

電平轉(zhuǎn)換在電路設(shè)計(jì)中非常常見，因?yàn)樽鲭娐吩O(shè)計(jì)很多時候就像在搭積木，這個電路模塊，加上那個電路模塊，拼拼湊湊連起來就是一個電子產(chǎn)品了。而各電路模塊間經(jīng)常會出現(xiàn)電壓域不一致的情況，所以模塊間的通訊就要使用電平轉(zhuǎn)換電路了。

上圖是用 MOS 管實(shí)現(xiàn)的 I2C 總線電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn) 3.3V 電壓域與 5V 電壓域間的雙向通訊。掛在總線上的有 3.3V 的器件，也有 5V 的器件，通過這個電路，大家就可以愉快地玩耍聊天了。

實(shí)物對照圖如下。實(shí)物的上拉電阻用了 4.7K 歐姆，可以提供更大的電流驅(qū)動能力。在滿足電路性能的前提下，我喜歡用阻值更大的電阻，因?yàn)楣母透‰姟?/p>

原理分析
簡化來看，留下 I2C 的一根線來分析就可以了，如下圖。

分四種情況：

1、當(dāng) SDA1 輸出高電平時：MOS 管 Q1 的 Vgs = 0，MOS 管關(guān)閉，SDA2 被電阻 R3 上拉到 5V。

2、當(dāng) SDA1 輸出低電平時：MOS 管 Q1 的 Vgs = 3.3V，大于導(dǎo)通電壓，MOS 管導(dǎo)通，SDA2 通過 MOS 管被拉到低電平。

3、當(dāng) SDA2 輸出高電平時：MOS 管 Q1 的 Vgs 不變，MOS 維持關(guān)閉狀態(tài)，SDA1 被電阻 R2 上拉到 3.3V。

4、當(dāng) SDA2 輸出低電平時：MOS 管不導(dǎo)通，但是它有體二極管！MOS 管里的體二極管把 SDA1 拉低到低電平，此時 Vgs 約等于 3.3V，MOS 管導(dǎo)通，進(jìn)一步拉低了 SDA1 的電壓。

注：

低電平指等于或接近 0V。

高電平指等于或接近電源電壓。所以 3.3V 電壓域的器件，其高電平為等于或接近 3.3V；5V 電壓域的器件，其高電平為等于或接近 5V。

具體要求看芯片的數(shù)據(jù)手冊是怎么說明這個限定范圍的，常見的比如說 0.3 倍的“芯片供電電壓”以下為低電平，0.7 倍的“芯片供電電壓”以上為高電平。也就是說“芯片供電電壓”為 5V 的時候，5 x 0.3 = 1.5V 以下為低電平，5 x 0.7 = 3.5V 以上為高電平。

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某一個芯片數(shù)據(jù)手冊里關(guān)于高低電平的閾值范圍說明

注意事項(xiàng)
以上是 3.3V 與 5V 之間的情況，如果換用其他電壓域之間的轉(zhuǎn)換，如 3.3V、2.5V、1.8V 等電壓值的兩兩之間，需要注意 MOS 管的 Vgs 開啟導(dǎo)通電壓。

給 MOS 管過高的 Vgs 會導(dǎo)致 MOS 管燒壞！給過低的 Vgs 會導(dǎo)致 MOS 管打不開！不同型號的 MOS 管這個參數(shù)值還不一樣?。。?/p>

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舉例：其中一個廠家生產(chǎn)的 2N7002 的數(shù)據(jù)手冊，Vgs 不能超過正負(fù) 20V

再來看一下，設(shè)計(jì)電路時 Vgs 可能設(shè)計(jì)過小的情況，下圖是 2N7002 的數(shù)據(jù)手冊：

舉例：其中一個廠家生產(chǎn)的 2N7002 的數(shù)據(jù)手冊，Vgs 的開啟電壓為 1V

實(shí)際使用時為保證完全開啟、完全導(dǎo)通，設(shè)計(jì)上要多預(yù)留余量，比如實(shí)際電路中 Vgs 起碼給到 1.8V。因?yàn)?1.8V 的設(shè)計(jì)參數(shù)接近數(shù)據(jù)手冊標(biāo)注的 1V 臨界值，尤其注意用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保萬無一失。

總結(jié)
3.3V 跟 5V 互轉(zhuǎn)的電路已經(jīng)是一個經(jīng)典電路，實(shí)在是硬件設(shè)計(jì)師居家旅行、護(hù)院看家，必備良藥！MOS 管型號就記住用 2N7002，這個型號便宜，性能久經(jīng)考驗(yàn)，不像有些 MOS 管外型看起來跟 2N7002 一樣，但實(shí)際是大功率的，有部分性能規(guī)格浪費(fèi)了，有部分性能規(guī)格又不一定能滿足需要，主要是還賊貴，具體其他 MOS 是怎樣的這里就不細(xì)究啦。