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5V转3.3V稳压芯片(pian)直接连接

通(tong)常 5V 输出的 VOH 为(wei) 4.7 伏(fu)， VOL 为(wei) 0.4 伏(fu)；而通(tong)常 3.3V LVCMOS 输入的 VIH 为(wei) 0.7 x VDD， VIL为(wei) 0.2 x VDD。

当 5V 输(shu)出驱动为(wei)(wei)低(di)时(shi)，不会(hui)有问题，因为(wei)(wei) 0.4 伏(fu)的(de)输(shu)出小于 0.8 伏(fu)的(de)输(shu)入阈(yu)值(zhi)。当 5V 输(shu)出为(wei)(wei)高时(shi)， 4.7 伏(fu)的(de) VOH 大于 2.1 伏(fu) VIH，所以(yi)，我们可以(yi)直接把两个(ge)引脚相连，不会(hui)有冲(chong)突，前提是3.3V CMOS 输(shu)出能够耐受 5 伏(fu)电压。

如果 3.3V CMOS 输入不能耐受(shou) 5 伏电压，则将出现(xian)问题，因为(wei)超出了输入的最大电压规范。

5V转3.3V稳压芯(xin)片(pian)使(shi)用二(er)极(ji)管(guan)钳位

很多(duo)厂(chang)商都使(shi)用钳(qian)(qian)位二(er)极(ji)(ji)管来(lai)保护(hu)器件的 I/O 引(yin)脚(jiao)，防(fang)止引(yin)脚(jiao)上(shang)的电(dian)压(ya)超过(guo)最大(da)允许电(dian)压(ya)规范。钳(qian)(qian)位二(er)极(ji)(ji)管使(shi)引(yin)脚(jiao)上(shang)的电(dian)压(ya)不(bu)(bu)会低于 Vss 超过(guo)一(yi)个二(er)极(ji)(ji)管压(ya)降(jiang)，也不(bu)(bu)会高于 VDD 超过(guo)一(yi)个二(er)极(ji)(ji)管压(ya)降(jiang)。要使(shi)用钳(qian)(qian)位二(er)极(ji)(ji)管来(lai)保护(hu)输入(ru)，仍然要关(guan)注流(liu)经钳(qian)(qian)位二(er)极(ji)(ji)管的电(dian)流(liu)。流(liu)经钳(qian)(qian)位二(er)极(ji)(ji)管的电(dian)流(liu)应该始终比较小 （在微(wei)安(an)数量级(ji)上(shang)）。如(ru)果流(liu)经钳(qian)(qian)位二(er)极(ji)(ji)管的电(dian)流(liu)过(guo)大(da)，就存在部件闭锁的危险。由于5V 输出的源电(dian)阻通常(chang)在 10Ω 左右，因(yin)此(ci)仍需串(chuan)联一(yi)个电(dian)阻，限制流(liu)经钳(qian)(qian)位二(er)极(ji)(ji)管的电(dian)流(liu)，如(ru)图所(suo)示。使(shi)用串(chuan)联电(dian)阻的后果是降(jiang)低了输入(ru)开(kai)关(guan)的速度(du)，因(yin)为引(yin)脚(jiao) （CL）上(shang)构成了 RC 时间常(chang)数。

如果没有钳(qian)位二(er)极管(guan)，可以(yi)在电流中添加一个外部二(er)极管(guan)，如图(tu)所示。

5V转(zhuan)3.3V稳压芯片有源(yuan)钳(qian)位(wei)

使用(yong)二极管(guan)钳(qian)位有一个问题，即它(ta)将向(xiang) 3.3V 电(dian)源(yuan)(yuan)注入(ru)电(dian)流。在(zai)具有高电(dian)流 5V 输(shu)出且轻载 3.3V 电(dian)源(yuan)(yuan)轨的(de)设计中，这种电(dian)流注入(ru)可能会使 3.3V 电(dian)源(yuan)(yuan)电(dian)压(ya)超过 3.3V。为(wei)了避(bi)免这个问题，可以用(yong)一个三(san)极管(guan)来(lai)替代，三(san)极管(guan)使过量的(de)输(shu)出驱动(dong)电(dian)流流向(xiang)地，而不是 3.3V 电(dian)源(yuan)(yuan)。设计的(de)电(dian)路(lu)如图所示(shi)。

Q1的(de)基极(ji)(ji)-发射(she)极(ji)(ji)结所起的(de)作用与(yu)二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)钳位(wei)电(dian)路中的(de)二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)相同。区别在于(yu)，发射(she)极(ji)(ji)电(dian)流(liu)只有百分之(zhi)几流(liu)出基极(ji)(ji)进入 3.3V 轨，绝大部分电(dian)流(liu)都流(liu)向集电(dian)极(ji)(ji)，再(zai)从(cong)集电(dian)极(ji)(ji)无害地流(liu)入地。基极(ji)(ji)电(dian)流(liu)与(yu)集电(dian)极(ji)(ji)电(dian)流(liu)之(zhi)比，由晶体管(guan)(guan)(guan)的(de)电(dian)流(liu)增益决定，通(tong)常为10-400，取(qu)决于(yu)所使(shi)用的(de)晶体管(guan)(guan)(guan)。

5V转3.3V稳压(ya)芯片电阻分压器

可以使(shi)用简单的(de)电阻(zu)分压器(qi)将 5V 器(qi)件的(de)输(shu)出降低(di)到适用于(yu) 3.3V 器(qi)件输(shu)入的(de)电平。这种接口(kou)的(de)等效电路如图所示(shi)。

通常，源电(dian)阻 RS 非常小 （小于 10Ω），如果(guo)选(xuan)择的(de)(de)(de) R1 远大(da)于 RS 的(de)(de)(de)话，那么(me)可以忽略(lve) RS 对(dui) R1 的(de)(de)(de)影响。在接收(shou)端，负(fu)载电(dian)阻 RL 非常大(da) （大(da)于500 kΩ），如果(guo)选(xuan)择的(de)(de)(de)R2远小于RL的(de)(de)(de)话，那么(me)可以忽略(lve) RL 对(dui) R2 的(de)(de)(de)影响。

在功耗和(he)(he)瞬态时间之间存在取(qu)舍权(quan)衡。为了使(shi)接口(kou)电流的功耗需求最(zui)小，串联电阻 R1 和(he)(he) R2 应尽(jin)可(ke)能大。但是，负(fu)载电容(rong)(rong) （由杂散(san)电容(rong)(rong) CS 和(he)(he) 3.3V 器件的输(shu)入电容(rong)(rong) CL 合(he)成）可(ke)能会对(dui)输(shu)入信号的上升和(he)(he)下降时间产生不利影响。如果 R1 和(he)(he) R2 过(guo)大，上升和(he)(he)下降时间可(ke)能会过(guo)长(zhang)而无法接受(shou)。

如果忽(hu)略 RS 和 RL 的影响，则(ze)确定 R1 和 R2 的式子由下(xia)面的公式如图给出。

公(gong)(gong)式给出了(le)确定(ding)(ding)上升和(he)下降时(shi)间的(de)公(gong)(gong)式。为(wei)便于(yu)(yu)电(dian)路(lu)分析，使用戴(dai)维(wei)(wei)宁等效(xiao)计算(suan)来(lai)确定(ding)(ding)外加电(dian)压 VA 和(he)串(chuan)联电(dian)阻 R。戴(dai)维(wei)(wei)宁等效(xiao)计算(suan)定(ding)(ding)义为(wei)开路(lu)电(dian)压除以短路(lu)电(dian)流(liu)。根(gen)据公(gong)(gong)式 12-2 所(suo)施加的(de)限(xian)制(zhi)，对于(yu)(yu)图所(suo)示电(dian)路(lu)，确定(ding)(ding)的(de)戴(dai)维(wei)(wei)宁等效(xiao)电(dian)阻 R 应为(wei) 0.66*R1，戴(dai)维(wei)(wei)宁等效(xiao)电(dian)压 VA 应为(wei)0.66*VS。

例(li)如，假设有(you)下列(lie)条件(jian)存在：

杂散电容 = 30 pF

负载(zai)电(dian)容 = 5 pF

从 0.3V 至 3V 的(de)最大(da)上升时间 ≤ 1 μs

外加源(yuan)电压(ya) Vs = 5V

确定最大电阻的计算如公式所示(shi)。

5V转3.3V稳压芯片有源模拟衰减器

此技巧使用运算放大(da)器衰减从 5V 至(zhi) 3.3V 系统的信(xin)号幅值。

要(yao)将 5V 模拟信(xin)号转换(huan)为(wei) 3.3V 模拟信(xin)号，最简单的方法是使用 R1:R2 比值(zhi)为(wei) 1.7:3.3 的电阻(zu)分压器(qi)。然而，这种方法存在(zai)一(yi)些问题。

1）衰减器可(ke)能会(hui)接至(zhi)容性负载(zai)，构成不(bu)期望得(de)到的低通滤(lv)波器。

2）衰(shuai)减(jian)器(qi)电路可能需(xu)要从高阻抗源驱(qu)动低阻抗负载。

无(wu)论是哪种情形，都需要运算放大(da)器(qi)用以缓冲信号(hao)。

所需的运放电路是单位增益跟随器 （见图）。

电路输(shu)出电压(ya)与加在输(shu)入(ru)的(de)电压(ya)相同。

为了把 5V 信(xin)号转换(huan)为较低(di)的 3V 信(xin)号，我们(men)只要加上电(dian)阻衰减器即可(ke)。

如(ru)果电(dian)阻分压器(qi)位(wei)于单位(wei)增益跟随(sui)器(qi)之前，那么将(jiang)为 3.3V 电(dian)路提供(gong)最低(di)的阻抗。此外(wai)，运放可以(yi)从3.3V 供(gong)电(dian)，这(zhei)将(jiang)节(jie)省一些功耗。如(ru)果选择(ze)的 X 非常(chang)大的话(hua)， 5V 侧的功耗可以(yi)最大限度地减小。

如果衰减器位于单(dan)位增(zeng)益跟(gen)随器之后(hou)，那么对 5V源而(er)言(yan)就有最高(gao)的(de)阻抗(kang)。运放必须从 5V 供电，3V 侧的(de)阻抗(kang)将(jiang)取(qu)决(jue)于 R1||R2 的(de)值。

5V转3.3V稳压芯片模拟限幅器

在(zai)将 5V 信号(hao)传(chuan)送给 3.3V 系统时(shi)(shi)，有(you)时(shi)(shi)可以将衰减用作增益。如(ru)果期望(wang)的(de)信号(hao)小于(yu) 5V，那(nei)么把(ba)信号(hao)直接送入 3.3V ADC 将产生较大的(de)转(zhuan)换值(zhi)。当(dang)信号(hao)接近(jin) 5V 时(shi)(shi)就(jiu)会出现(xian)危(wei)险。所以，需要控(kong)制电压(ya)越限的(de)方法，同时(shi)(shi)不(bu)影(ying)响正常(chang)范围中的(de)电压(ya)。这里(li)将讨(tao)论三种实现(xian)方法。

1. 使用二(er)极(ji)管，钳位过电(dian)压(ya)至 3.3V 供电(dian)系统(tong)。

2. 使用(yong)齐纳二极管，把电压钳位至(zhi)任何(he)期望的电压限。

3. 使用带二(er)极管(guan)的运(yun)算放大(da)器，进行精确钳位(wei)。

进行(xing)过电(dian)(dian)压钳(qian)位的(de)(de)最简单的(de)(de)方法，与将(jiang) 5V 数(shu)字(zi)信(xin)号连接至 3.3V 数(shu)字(zi)信(xin)号的(de)(de)简单方法完全相同(tong)。使(shi)用(yong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)和二极管(guan)(guan)，使(shi)过量电(dian)(dian)流流入 3.3V 电(dian)(dian)源(yuan)。选用(yong)的(de)(de)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)值必(bi)须能够保护二极管(guan)(guan)和 3.3V 电(dian)(dian)源(yuan)，同(tong)时还(hai)不(bu)会(hui)对(dui)模拟(ni)性能造(zao)成(cheng)负(fu)面影(ying)响。如果 3.3V 电(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)阻(zu)(zu)抗太低(di)，那么这(zhei)种类型的(de)(de)钳(qian)位可能致(zhi)使(shi)3.3V 电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压上升。即使(shi) 3.3V 电(dian)(dian)源(yuan)有很好的(de)(de)低(di)阻(zu)(zu)抗，当二极管(guan)(guan)导通时，以及(ji)在频率足够高的(de)(de)情况下(xia)，当二极管(guan)(guan)没有导通时 （由于有跨越(yue)二极管(guan)(guan)的(de)(de)寄生电(dian)(dian)容），此类钳(qian)位都将(jiang)使(shi)输入信(xin)号向 3.3V 电(dian)(dian)源(yuan)施加噪声(sheng)。

为(wei)了防止(zhi)输入信(xin)号(hao)对电(dian)源造成影响，或(huo)者为(wei)了使输入应对较大(da)的(de)(de)瞬态电(dian)流时(shi)更(geng)为(wei)从容，对前述方法(fa)稍加变化(hua)，改用齐(qi)纳二极管。齐(qi)纳二极管的(de)(de)速度通常要比第一个电(dian)路中所使用的(de)(de)快速信(xin)号(hao)二极管慢。不过，齐(qi)纳钳(qian)位(wei)一般来说更(geng)为(wei)结实，钳(qian)位(wei)时(shi)不依赖于(yu)电(dian)源的(de)(de)特(te)性参数(shu)。钳(qian)位(wei)的(de)(de)大(da)小取(qu)决于(yu)流经二极管的(de)(de)电(dian)流。这由 R1 的(de)(de)值决定。如果(guo) VIN 源的(de)(de)输出阻抗(kang)足够大(da)的(de)(de)话，也可(ke)不需(xu)要 R1。

如果需要不(bu)依赖于(yu)电(dian)(dian)源的更为(wei)精(jing)确的过电(dian)(dian)压(ya)钳(qian)位，可以使用运(yun)放(fang)(fang)来得(de)到(dao)精(jing)密二极管(guan)。电(dian)(dian)路图所(suo)示。运(yun)放(fang)(fang)补偿了二极管(guan)的正向压(ya)降(jiang)，使得(de)电(dian)(dian)压(ya)正好被(bei)钳(qian)位在(zai)运(yun)放(fang)(fang)的同相输入端(duan)电(dian)(dian)源电(dian)(dian)压(ya)上。如果运(yun)放(fang)(fang)是轨到(dao)轨的话，可以用 3.3V 供电(dian)(dian)。

由(you)于钳位是通(tong)过运(yun)放来进行的，不会(hui)影(ying)响到(dao)电(dian)源。

运放不能改善低电压电路(lu)中出现的(de)阻抗，阻抗仍为R1 加上源电路(lu)阻抗。

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