常见的电平转换方法

常见的电平转换方法

在电子电路设计中，不同芯片的引脚往往使用不同的电压标准，如1.8V、3.3V、5V等。为了实现不同电压电平设备之间的通信，需要进行电平转换。本文将介绍几种常见的电平转换方法，包括二极管电平转换、三极管电平转换、MOS电平转换以及专用电平转换芯片。

一、二极管电平转换

典型应用：上拉电阻加二极管方案

图1 二极管转换电路

适用范围

输入信号电平大于输出信号的转换电路上

优点

成本低，使用元件少

缺点

只能单向传输，且输入信号电平大于输出信号，二极管会产生较大的压降

工作过程分析

当3.3V器件输出高电平信号，由于上拉5V作用，信号输入器件被上拉为5V电平。
当3.3V器件输出低电平信号，使OUTPUT信号被拉低，从而信号输入器件信号被拉低。

三极管电平转换

图2 三极管转换电路

适用范围

输入信号电平大于输出信号的转换电路上

优点

成本低，使用元件少，相较于二极管不同的是，三极管信号输入端可以用更小的电流驱动，此处可能在某些外设驱动能力较弱的情况下更具优势

缺点

只能单向传输，且输入信号电平大于输出信号

工作过程分析

当3.3V器件输出高电平信号，由于上拉5V作用，信号输入器件被上拉为5V电平。
当3.3V器件输出低电平信号，导致PNP二极管导通，从而信号输入器件信号被拉低。

MOS电平转换

适用范围

适用于大部分需要电平转换的应用场景

优点

可以双向传输，导通压降一般较小，且传输频率可以达到很高

工作过程分析

以I2C的其中一条信号线为例：

图3 MOS管转换电路

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

电平转换芯片

如果信号的转换频率要求较高，而且不希望产生较大的电压压降，很多厂家都有设计专门的电平转换芯片。下面是某厂电平转换芯片介绍：

• 电平转换范围广：VCC(A): 1.65 V to 3.6 V and VCC(B): 2.3 V to 5.5 V
• 最大数据速率：50 Mbps
• 多种封装
• 转换通道数：4
• 主要适用于：I2C，UART，GPIO等

典型应用

图4 NTS0104典型应用

结语

电平转换的方式和电路较多，可以根据实际需要选择合适的方案。目前电平转换芯片已经很成熟，建议选择电平转换芯片会更适用于绝大多数情况。