mos管电平转换电路

电平介绍

在了解mos管电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)转换电(dian)(dian)(dian)路之前(qian)，我们来了解一下(xia)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)的(de)一些基本知识。所谓电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)，是指(zhi)两(liang)(liang)功率或电(dian)(dian)(dian)压(ya)之比的(de)对(dui)数(shu)，有时也可(ke)用来表(biao)示(shi)两(liang)(liang)电(dian)(dian)(dian)流(liu)之比的(de)对(dui)数(shu)。电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)的(de)单位分(fen)贝(bei)用dB表(biao)示(shi)。常用的(de)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)有功率电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)和电(dian)(dian)(dian)压(ya)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)两(liang)(liang)类，它们各自又可(ke)分(fen)为(wei)绝对(dui)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)和相对(dui)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)两(liang)(liang)种(zhong)。

电平与电压的关系

从电(dian)(dian)压(ya)电(dian)(dian)平(ping)(ping)的(de)(de)定义(yi)就可(ke)(ke)以(yi)看出电(dian)(dian)平(ping)(ping)与电(dian)(dian)压(ya)之间的(de)(de)关系，电(dian)(dian)平(ping)(ping)的(de)(de)测量实(shi)际上也(ye)是(shi)(shi)电(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)测量，只是(shi)(shi)刻度不同(tong)而已(yi)，任何电(dian)(dian)压(ya)表都(dou)可(ke)(ke)以(yi)成为一个(ge)测量电(dian)(dian)压(ya)电(dian)(dian)平(ping)(ping)的(de)(de)电(dian)(dian)平(ping)(ping)表，只要表盘按电(dian)(dian)平(ping)(ping)刻度标志即(ji)可(ke)(ke)，在此(ci)要注意的(de)(de)是(shi)(shi)电(dian)(dian)平(ping)(ping)刻度是(shi)(shi)以(yi)1 mW功(gong)率(lv)消耗于(yu)600 Ω电(dian)(dian)阻为零(ling)分贝进行计算的(de)(de)，即(ji)0dB=0.775V。电(dian)(dian)平(ping)(ping)量程(cheng)的(de)(de)扩大(da)实(shi)质(zhi)上也(ye)是(shi)(shi)电(dian)(dian)压(ya)量程(cheng)的(de)(de)扩大(da)，只不过由(you)于(yu)电(dian)(dian)平(ping)(ping)与电(dian)(dian)压(ya)之间是(shi)(shi)对(dui)数关系，因(yin)而电(dian)(dian)压(ya)量程(cheng)扩大(da)N倍(bei)时(shi)，由(you)电(dian)(dian)平(ping)(ping)定义(yi)可(ke)(ke)知，即(ji)电(dian)(dian)平(ping)(ping)增加20lgN(dB)。

由此可知，电(dian)(dian)平量(liang)程(cheng)的扩(kuo)大(da)可以通过(guo)相应的交(jiao)流(liu)电(dian)(dian)压表量(liang)程(cheng)的扩(kuo)大(da)来(lai)实现(xian)，其测量(liang)值(zhi)(zhi)应为表头指针示数再加一个附加分贝值(zhi)(zhi)(或(huo)量(liang)程(cheng)分贝值(zhi)(zhi))。附加分贝值(zhi)(zhi)的大(da)小由电(dian)(dian)压量(liang)程(cheng)的扩(kuo)大(da)倍(bei)数来(lai)决定。

实用的双向mos管电平转换电路

双(shuang)向mos管电(dian)平转换(huan)电(dian)路，当你使(shi)用3.3V的(de)单(dan)(dan)片(pian)机(ji)的(de)时候,电(dian)平转换(huan)就在(zai)所难免了(le),经常会遇到3.3转5V或(huo)者(zhe)5V转3.3V的(de)情(qing)况,这里介(jie)绍(shao)一个(ge)简(jian)(jian)单(dan)(dan)的(de)电(dian)路,他可以实现(xian)两(liang)个(ge)电(dian)平的(de)相互转换(huan)(注意是相互哦,双(shuang)向的(de),不是单(dan)(dan)向的(de)!)。电(dian)路十分(fen)简(jian)(jian)单(dan)(dan),仅(jin)由3个(ge)电(dian)阻加(jia)一个(ge)MOS管构成。

双向mos管电平转换电路图

3.3-5V转换

上图中(zhong),S1，S2为(wei)两个(ge)信号端(duan),VCC_S1和VCC_S2为(wei)这两个(ge)信号的高电平电压.

双向mos管电平转换电路图限制条件

1.VCC_S1<=VCC_S2

2.S1的低电平(ping)门限(xian)大(da)于0.7V左右(视NMOS内的二极(ji)管压降(jiang)而(er)定)

3.Vgs<=VCC_S1

4.Vds<=VCC_S2

对(dui)于(yu)3.3V和5V/12V等(deng)电路的相(xiang)互(hu)转(zhuan)换(huan),NMOS管选择AP2306即可。原理比较简单,大(da)家自行分(fen)析(xi)吧!此(ci)电路我已在多处应用,效果很(hen)好。

双向mos管电平转换电路-电平转换器的操作

在电平转(zhuan)换器的操作中要考(kao)虑下面的三种状态：

（一(yi)）没有器件下(xia)拉总线线路

“低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)”部分的(de)(de)(de)总(zong)线(xian)线(xian)路(lu)(lu)通过(guo)上(shang)拉电(dian)(dian)阻(zu)Rp 上(shang)拉至3.3V。 MOS-FET 管(guan)的(de)(de)(de)门极和(he)源极都是3.3V， 所以它的(de)(de)(de)VGS 低于阀值电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，MOS-FET 管(guan)不导通。这就允许“高(gao)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)”部分的(de)(de)(de)总(zong)线(xian)线(xian)路(lu)(lu)通过(guo)它的(de)(de)(de)上(shang)拉电(dian)(dian)阻(zu)Rp 拉到(dao)5V。 此时两部分的(de)(de)(de)总(zong)线(xian)线(xian)路(lu)(lu)都是高(gao)电(dian)(dian)平(ping)，只是电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)平(ping)不同。

（二）一个3.3V 器件(jian)下拉(la)总(zong)线(xian)线(xian)路到低电平

MOS-FET 管的源极(ji)也变成低电(dian)(dian)平，而(er)门(men)极(ji)是3.3V。 VGS上升高(gao)于阀(fa)值(zhi)，MOS-FET 管开始导通。然后(hou)“高(gao)电(dian)(dian)压(ya)”部分的总(zong)线线路通过导通的MOS-FET管被3.3V 器件下(xia)拉(la)到低电(dian)(dian)平。此时，两(liang)部分的总(zong)线线路都(dou)是低电(dian)(dian)平，而(er)且电(dian)(dian)压(ya)电(dian)(dian)平相(xiang)同。

（三）一(yi)个5V 的器件下拉总(zong)线线路到(dao)低电(dian)平

MOS-FET 管的(de)(de)漏极基底二极管“低电(dian)(dian)压”部(bu)分(fen)被下拉直到(dao)VGS 超过(guo)阀值，MOS-FET 管开始(shi)导(dao)通。“低电(dian)(dian)压”部(bu)分(fen)的(de)(de)总线(xian)线(xian)路通过(guo)导(dao)通的(de)(de)MOS-FET 管被5V 的(de)(de)器件进一步下拉到(dao)低电(dian)(dian)平。此时，两部(bu)分(fen)的(de)(de)总线(xian)线(xian)路都是(shi)低电(dian)(dian)平，而且电(dian)(dian)压电(dian)(dian)平相(xiang)同。

这三种(zhong)状态(tai)显示了逻辑电平在总(zong)线系统的两个方向(xiang)上传输，与驱动的部分无(wu)关。状态(tai)1 执(zhi)行了电平转换功(gong)能。状态(tai)2 和(he)3 按(an)照I2C 总(zong)线规范的要求在两部分的总(zong)线线路之间实现“线与”的功(gong)能。

除了3.3V VDD1 和5V VDD2 的(de)电源(yuan)电压外，还可以是例如：2V VDD1 和10V VDD2。 在正常操(cao)作中，VDD2必须(xu)等于(yu)或高于(yu)VDD1( 在开关电源(yuan)时允许(xu)VDD2 低于(yu)VDD1)。

MOS-N沟道-双向MOS管电平转换电路

MOS-N 场效(xiao)应管 双向电平转换电路(lu)

双向传输原理

双向mos管(guan)电平转换电路的原理(li)如下(xia)：

为了方便讲(jiang)述，定义3.3V为A端，5.0V为B端。

A端输出低(di)电平(ping)时(shi)(0V)，MOS管导(dao)通，B端输出是低(di)电平(ping)(0V)

A端输出高电平(ping)时(3.3V)，MOS管截(jie)至，B端输出是高电平(ping)(5V)

A端(duan)输(shu)(shu)出(chu)(chu)高阻(zu)时(OC) ，MOS管(guan)截至(zhi)，B端(duan)输(shu)(shu)出(chu)(chu)是高电平(5V)

B端输出低电(dian)平(ping)时(0V)，MOS管内的二极管导通，从(cong)而使MOS管导通，A端输出是(shi)低电(dian)平(ping)(0V)

B端输出高电平时(shi)(5V)，MOS管截至，A端输出是(shi)高电平(3.3V)

B端(duan)输出高(gao)阻时(OC) ，MOS管(guan)截(jie)至，A端(duan)输出是高(gao)电平(ping)(3.3V)

三极管电平转换及驱动电路分析

3.3V-5V电平转换电路

如上图(tu)，左端(duan)接3.3V CMOS电平，可以是STM32、FPGA等的IO口，右端(duan)输(shu)出为5V电平，实现3.3V到5V电平的转换。

现(xian)在来分析下(xia)各个(ge)电阻(zu)的作用(抓住的核心思路是(shi)三极管的Vbe导通时为恒定值0.7V左右)：

假设没(mei)有R87，则当US_CH0的高电(dian)平直接加在三(san)极管的BE上，>0.7V的电(dian)压要到(dao)哪里去(qu)呢?

假设没有(you)R91，当US_CH0电平(ping)状态不确定时，默认(ren)是要(yao)Trig输(shu)出高电平(ping)还是低(di)电平(ping)呢?因此(ci)R91起到固定电平(ping)的(de)作用。同(tong)时，如(ru)果(guo)无R91，则只要(yao)输(shu)入(ru)>0.7V就(jiu)导(dao)通三(san)极管(guan)，门槛电压(ya)太低(di)了，R91有(you)提升门槛电压(ya)的(de)作用(可参(can)见第二(er)小节(jie)关于蜂(feng)鸣(ming)器的(de)分析(xi))。

但是，加了R91又要注意(yi)了：R91如果太小(xiao)，基(ji)极电压近似只有(you)Vb&gt;0.7V时才能使US_CH0为高电平(ping)时导(dao)通，上(shang)图的Vb=1.36V

假设没有(you)R83，当(dang)输入(ru)US_CH0为高电(dian)(dian)平(ping)(三(san)极管导通时)，D5V0(5V高电(dian)(dian)平(ping))直接加在(zai)三(san)极管的(de)(de)CE级，而三(san)极管的(de)(de)CE，三(san)极管很容易就损(sun)坏了。

再进一步分析其(qi)工作(zuo)机理：

当输(shu)入为(wei)高电平(ping)，三(san)极管导(dao)通，输(shu)出(chu)钳制在三(san)极管的Vce，对电路测试结果仅0.1V

当输入为(wei)低电(dian)平(ping)，三(san)极管不导通，输出相当于(yu)对(dui)下一(yi)级电(dian)路的(de)输入使用10K电(dian)阻进行上拉，实际测试结(jie)果为(wei)5.0V(空载)

注意：对于(yu)大电(dian)流的(de)负(fu)载，上面电(dian)路的(de)特(te)性(xing)将表现的(de)不那么(me)好，因此这里一(yi)直强调——该电(dian)路仅(jin)适用于(yu)10几mA到几十mA的(de)负(fu)载的(de)电(dian)平转换。

蜂鸣器驱动电路

上(shang)面是从周立功的iMX283开发(fa)板上(shang)载下的电路，既可以是有源(yuan)也可以是无源(yuan)蜂(feng)鸣器。来(lai)分析下：

计算下(xia)各处的电(dian)流(S9013的β=120，设(she)蜂鸣(ming)器电(dian)流15mA)：

输入为高电平的门槛电压计算为：

R1起到(dao)了提供(gong)啊门槛电压的(de)作用。

有源蜂(feng)鸣器和无(wu)源蜂(feng)鸣器的(de)(de)驱(qu)(qu)动电路区(qu)别主(zhu)要在于无(wu)源蜂(feng)鸣器本(ben)质上是一个(ge)感性元件，其(qi)电流(liu)(liu)不能瞬变，因此(ci)必(bi)须有一个(ge)续(xu)流(liu)(liu)二极(ji)(ji)管D1提供续(xu)流(liu)(liu)。否则，在蜂(feng)鸣器两(liang)端会(hui)有反向(xiang)感应电动势，产生几(ji)十伏的(de)(de)尖峰电压，可能损坏驱(qu)(qu)动三(san)极(ji)(ji)管，并干扰整个(ge)电路系统的(de)(de)其(qi)它部分。而(er)如果电路中工作电压较大(da)，要使(shi)用(yong)(yong)耐压值较大(da)的(de)(de)二极(ji)(ji)管，而(er)如果电路工作频率(lv)高，则要选用(yong)(yong)高速的(de)(de)二极(ji)(ji)管。

设计这(zhei)种(zhong)电路的基本(ben)路子是：确(que)定负载(蜂鸣(ming)器(qi)10mA~80mA)电流和输入门槛电压。依据1中的方法(fa)计算获得(de)R1与R2的值。

ULN2x03驱动电路

针对上面的驱动(dong)电路：

1.负载接的是红(hong)外二极管，其串(chuan)联电(dian)阻(zu)是限流电(dian)阻(zu)，控(kong)制红(hong)外发射强度

2.输(shu)入连接到STM32的PWM功能普通IO口(设(she)置推(tui)挽输(shu)出)，COM口接输(shu)出电压5V

针对上面的电路测试(shi)(Power=5.0V)：

1.输入3.3V，输出0.6V

2.输入0V，输出5.0V

3.输(shu)入不接，输(shu)出5.0V

所以，ULN2003/2803同样可(ke)以用(yong)于电平转换，那这是为什么呢?ULN2803/2003与(yu)三极管(guan)又(you)有什么关系——其内(nei)部实(shi)现(xian)就是两个(ge)三极管(guan)。

结构的3个特点

1.输出集电(dian)(dian)极开漏，因此可以自己接上(shang)拉电(dian)(dian)阻，将(jiang)信(xin)号(hao)上(shang)拉到相应的电(dian)(dian)平(ping)，ULN2803手册上(shang)说明(ming)能承受的最大(da)电(dian)(dian)压为50V

2.数据(ju)手册上说明在Ic=250mA时的输入门(men)槛电压为VI(on)=2.7V

3.COM端(duan)接(jie)有一个反向二极(ji)管：接(jie)到输出(chu)电(dian)(dian)源，用于(yu)驱动电(dian)(dian)机等(deng)负(fu)载电(dian)(dian)感器件(jian)时能在(zai)上下(xia)电(dian)(dian)时提供电(dian)(dian)流回路(lu)保护电(dian)(dian)路(lu);输出(chu)电(dian)(dian)压(ya)(ya)高于(yu)COM端(duan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，则电(dian)(dian)压(ya)(ya)会钳(qian)制在(zai)VCOM+0.4V左右(这里的(de)二极(ji)管压(ya)(ya)降较小)。ULN2003与ULN2803的(de)区别(bie)仅在于ULN2003只有8个(ge)通(tong)(tong)道，而ULN2803有9个(ge)通(tong)(tong)道。

相对于前(qian)面(mian)的(de)自(zi)己搭建(jian)(jian)的(de)三极管电(dian)(dian)路，其(qi)具有更好的(de)电(dian)(dian)流驱(qu)(qu)动(dong)特性(xing)，因此，前(qian)面(mian)的(de)自(zi)己搭建(jian)(jian)的(de)三极管电(dian)(dian)路适用(yong)于电(dian)(dian)平切换(huan)及小电(dian)(dian)流的(de)驱(qu)(qu)动(dong)，而ULN2803及ULN2003适用(yong)于更大电(dian)(dian)流的(de)驱(qu)(qu)动(dong)(Datasheet上说最大驱(qu)(qu)动(dong)电(dian)(dian)流能(neng)达到500mA左右)。因此常用(yong)ULN2803及ULN2003(还(hai)有其(qi)它(ta)的(de)如75452、MC1413、L293D)提(ti)高系统的(de)带负载能(neng)力(电(dian)(dian)机、大型LED、继电(dian)(dian)器等)。

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