逻辑电压电平的变化范围很大,从1.8V-5V。标准逻辑电压为5V、3.3V、1.8V等。但是,使用 5V逻辑电平的系统/控制器(如Arduino)如何与使用3.3V逻辑电平的另一个系统(如ESP8266)通信呢?
这个时候就需要用到逻辑电平转换器,这里还将介绍 MOS管构建一个简单的双向逻辑电平转换器电路。
从微处理器/微控制器方面来看,逻辑电平的值不是固定的,对此有一定的耐受性,例如,5V逻辑电平微控制器可以接受的逻辑高电平(逻辑1)为最小2.0V(最小高电平输入电压)到最大5.1V(最大高电平输入电压)。
同样,对于逻辑低(逻辑0),可接受的电压值是从0V(最小低电平输入电压)到最大值8V(最大低电平输入电压)。
上述示例适用于5V逻辑电平微控制器,也可以使用3.3V和1.8V逻辑电平微控制器。在这种类型的微控制器中,逻辑电平电压范围会有所不同。
使用电压电平转换器时,应注意高电压值和低电压值要在这些参数的限制范围内。
在实际应用,经常会使用两种类型的电平转换器:单向逻辑电平转换器和双向逻辑电平转换器。
1、单向电平转换器
在单向电平转换器中,输入引脚专用于一个电压域,输出引脚专用于另一个电压域。
2、双向电压转换器
但双向电压转换器可以在两个方向上转换逻辑信号,每个电压域不仅有输入引脚,而且有输出引脚。
例如你向输入侧提供5.5V,在输出侧转换为3.3V,同样,如果向输出侧提供3.3V,将在输入侧转换为5V。
下面将构建一个简单的双向电平转换器,并测试由高到低转换和低到高转换。
下面显示了一个简单的双向逻辑转换器电路:
简单的双向逻辑转换器电路
该电路使用 N 沟道 MOS 管将低电压逻辑电平转换为高电压逻辑电平,也可以使用电阻分压器构建简单的逻辑电平转换器,但会导致电压损失。
该电路还使用了两个附加组件:R1和R2,为上拉电阻,数量比较少,也算一种解决方案。
5V-3.3V双向逻辑电平转换器电路如下所示:
5V-3.3V双向逻辑电平转换器电路
从上图可以看到,向电阻 R1 和 R2 提供 5V 和 3.3V 的恒定电压。Low_side_Logic_Input和High_Side_Logic_Input引脚可以互换用作输入和输出引脚。
上述电路中使用的元件是
两个电阻的容差均为 1%。容差为 5% 的电阻也可以。BS170 MOS管的引脚排列如下图所示,按漏极、栅极和源极的顺序排列。
该电路结构由两个上拉电阻组成,每个电阻为 4.7k。MOS 管的漏极和源极引脚被上拉至所需的电压电平(在本例中为 5V 和 3.3V),以实现低到高或高到低的逻辑转换。R1 和 R2 可以使用 1k 到 10k 之间的值,因为它们的作用只是充当上拉电阻。
为了达到完美的工作状态,在构建电路时需要满足两个条件:
1、双向逻辑电平转换器的仿真
通过使用仿真可以了解逻辑电平移位器电路的完整工作原理,正如下面看到的,在高电平到低电平逻辑转换期间,逻辑输入引脚在 5V 和 0V(地)之间切换,并且获得的逻辑输出为 3.3V 和 0V。
同样,在低电平到高电平转换期间,3.3V 和 0V 之间的逻辑输入转换为 5V 和 0V 的逻辑输出,如下图所示。
2、逻辑电平转换器电路工作原理
满足这两个条件后,电路工作在三种状态,下面为三种状态:
当低端为高电平时,即 MOS 管的源极电压为3.3V,由于未达到 MOS 管的 Vgs 阈值点,MOS 管不导通。此时 MOS 管的栅极为 3.3V,源极也为 3.3V。
因此,Vgs 为 0V,MOS 管关闭。逻辑 1 或低侧输入的高状态通过上拉电阻 R2 在 MOS管的漏极侧反映为 5V 输出。
在这种情况下,如果 MOS 管的低侧将其状态从高变为低,则 MOS 管开始导通。源极处于逻辑 0,因此高端也变为 0。
上述两个条件成功地将低电压逻辑状态转换为高电压逻辑状态。
另一种工作状态是MOS管的高侧状态从高电平变为低电平时,这是漏极衬底二极管开始导通的时间,
MOS管在低压侧被下拉至低电压电平,直到 Vgs 跨越阈值点。低压段和高压段母线在相同电压水平下均变低。
3、转换器的开关速度
设计逻辑电平转换器时要考虑的另一个参数是转换速度。由于大多数逻辑转换器将在 USART、I2C 等通信总线之间使用,因此逻辑转换器切换得足够快(转换速度)以与通信线路的波特率相匹配非常重要。
转换速度与 MOS管的开关速度相同。因此,在上面的案例中,根据 BS170 数据表,MOS管 的导通时间和 MOS管的关断时间如下所述。
这里的MOS管需要10nS开启和10nS关闭,这意味着它可以在一秒钟内打开和关闭10,00,000次。假设我们的通信线路以每秒115200位的速度(波特率)运行,那么这意味着它在一秒钟内仅打开和关闭1,15,200次。因此我们也可以很好地使用我们的设备进行高波特率通信。
测试电路需要以下组件和工具:
测试逻辑转换器
在上面的示意图中,引入了两个附加的触觉开关。此外,还连接了万用表来检查逻辑转换。通过按下 SW1,MOS管的低侧将其状态从高变为低,并且逻辑电平转换器作为低压到高压逻辑电平转换器工作。
另一方面,通过按下SW2,MOS管的高侧将其状态从高变为低,并且逻辑电平转换器作为高电压到低电压逻辑电平转换器工作。
在电路板构建电路,然后进行测试。
电路测试
上图显示了 MOS管两侧的逻辑状态,两者都处于逻辑1状态。
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