干货 | 用 MOS管构建双向逻辑电平转换器电路

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。

 高电平和低电平输入电压 

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。

 双向逻辑电平转换器 

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。

 简单的双向逻辑电平转换器 

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。

 使用MOS管的5V和3.3V电平转换器 

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

• R1 - 4.7k
• R2 - 4.7k
• Q1 - BS170（N 沟道 MOSFET）。

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：

• 第一个条件是，低电平逻辑电压（本例中为3.3V）需要连接到MOS管的源极，高电平逻辑电压（本例中为5V）必须连接到MOS管的漏极引脚。
• 第二个条件是，MOS管的栅极需要连接到低压电源（本例中为 3.3V）。

 双向逻辑电平转换器的仿真 

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：

• 1、当低侧处于逻辑1/高状态（3.3V）时
• 2、当低侧处于逻辑0当低侧处于逻辑0或低状态(0V)时。
• 3、当高侧状态从 1 变为 0 或从高变为低（5V 变为 0V）时

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。

 测试逻辑转换器 

测试电路需要以下组件和工具：

• 电源具有两种不同的电压输出
• 两个万用表
• 两个触觉开关
• 用于连接的电线
• 修改原理图用来测试电路

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。