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電路小課堂，總結一下常用的電平轉換電路。

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前言

一、二極管電平轉換電路

電路分析

二、三極管電平轉換電路

2.1 電路一

電路分析

2.2 電路二

電路分析

三、MOS管電平轉換電路

電路分析

四、電平轉換芯片

結語

前言

電路小課堂時間到，今天我們要聊的是 電平轉換電路。

那么什么是電平轉換？為什么需要電平轉換？

簡單說明一下，在我們設計的電路中，不同芯片的引腳使用的電壓不同，比如常見的1.8V、3.3V、5V等，在兩種不同電壓芯片引腳之間進行通訊時候，我們需要使得兩邊的電平都符合自身的需求且能夠進行正常的通訊，這就叫電平轉換。

因為不同電壓芯片之間的通訊存在電平不匹配的問題，同時如果通訊的兩端壓差過大也可能會損壞芯片引腳，所以我們需要進行電平轉換。

一般來說，我們進行電平轉換，主要考慮的有信號傳輸的速度以及信號的方向問題。

本文根據博主實際項目經驗，總結一些我們常用的電平轉換電路。

一、二極管電平轉換電路

二極管電平轉換電路，其實我自己并不常用，只是以前測試使用過：

使用此電路需要注意轉換的方向，高電壓端和低電壓端不可調換。

電路分析

當輸入端 3.3V_IN 為低電平時，D1導通，輸出端 1.8V_OUT 為低電平，實現兩端都為低電平。

當輸入端 3.3V_IN 為高電平時，D1截止，輸出端 被 R1 上拉至 1.8V ，為高電平，實現兩端都為高電平。

因為確實沒有實際產品用過，所以不太好評價 = =！。

二、三極管電平轉換電路

三極管實現電平轉換，有點類似二極管，一樣需要注意方向。

2.1 電路一

第一種電路如下：

此例子為博主使用過的4G模塊與 STM32 通訊使用過的電路。

上圖中上面部分三極管基區的電壓 VDD_EXT 沒用錯，以上圖為例，這個基區電壓給 VDD_MCU 或者 VDD_EXT 都是可以的。但是下面部分的電路三極管基區的電壓必須是 VDD_EXT 。

電路分析

當輸入端為 低電平 0V的時候，三極管導通，輸出端 與輸入端導通，輸出端被拉低到接近0V，實現兩端都為低電平。

當輸入端為 高電平的時候，三極管截止， 輸出端 靠著上拉電阻（上圖中的 R17、R19），變成高電平，實現兩端都被高電平。

2.2 電路二

三極管電平轉換電路第二種方式：

此例子為博主使用過的信號采集電路，外接的信號最高電壓為1.8V，為了保證STM32能夠穩定的接收到，使用此電路將外接的信號轉化為穩定的高低電平。

電路分析

當輸入 S_IN 為低電平時，三極管 Q1關斷，三極管 Q2 基極為高電平，導致 Q2 導通，輸出端 S_OUT被拉低，實現兩端都為低電平。

當輸入 S_IN 為高電平 (VDD_EXT) 時，三極管 Q1 導通，三極管Q2關斷，輸出端 S_OUT 被 R4 拉高到 VDD_MCU，實現兩端都為高電平。

三極管電平轉換電路，便宜實用，但是只能單向轉化。而且不適用于波特率過高的應用（大概大于 400Kbps 就不建議用了）。

三、MOS管電平轉換電路

講過二極管，三極管，最后還是有MOS管，不得不說MOS在當下的應用之廣泛，而且下面這個電平轉換，是博主用得最多的，MOS管雙向電平轉換電路：

此例子為博主使用過的1.8V單片機與 傳感器 I2C 通訊電路。

注意事項：

1、該電路只能用于收發雙方都是開集（Open Collector, OC）或開漏（Open Drain, OD）結構輸出的雙向信號線。比如常見的I2C通訊。

2、VCC_S1 <= VCC_S2

3、MOS管導通電壓門限（Vth(GS)里面的最大值）需要小于低電源電壓。

電路分析

我們使用上圖來簡單分一下電路：

從左向右看

當 S1A 為高電平 (VCC_S1) 時候，MOS管 VGS = 0， NM1 不導通，S2A 處電平被 R11 上拉為高電平(VCC_S2)，S2A也為高電平。兩端都為高電平。當 S1A 為低電平 時候，MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 導通，S2A 的電平與 S1A相等，為低電平。兩端都為低電平。

從右向左看

這里說明一下開漏輸出，由于有上拉電阻，所以沒有外部影響的正常情況下，S1A 和 S2A 默認都會是高電平。

當 S2A 為高電平 (VCC_S2) 時候：

假設左側 S1A 為高電平（因為是開漏輸出，所以左側一般來說被 R10 上拉至高電平 (VCC_S1)，除非線上有低電平拉低，這里我們仍然分兩種情況論），MOS管 VGS = 0， NM1 不導通，左側依然被R10 上拉至高電平 (VCC_S1)。兩端都為高電平。

假設左側 S1A 為低電平（正常不會發生，原因就是開漏輸出），MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 導通，S2A 為高電平，所以會導致 S1A 電壓上升，等 S1A 上升到 VCC_S1 的時候，NM1 截止，兩端都變成高電平（除非開始使得 S1A 為低電平的外界因數一直存在，這是外部的問題不做過多討論）。

當 S2A 為低電平時候：

正常情況下左側 S1A 為高電平(VCC_S1)，MOS管 VGS = 0， NM1 不導通，但是由于 MOS 管的寄生二極管，會把 S1A 下拉至低電平（這個低電平不是0V，是比 S2A 高一個二極管壓降，比如 0.7V），那么VGS =（VCC_S1 - 0.7V），使得 NM1導通，導通以后，那么 S1A 和 S1B 基本相等，兩端都為低電平。

如果 S1A 開始就為低電平（正常不會發生），MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 導通，S2A 的電平與 S1A相等，為低電平。兩端都為低電平。

最經典的電平轉換電路，雙向電平轉換。常用于 I2C通訊。不能用于推挽輸出的IO口，MOS管的選型需要注意 VGS(th)(開啟電壓) 要小于通訊兩端的需要的電源電壓。

四、電平轉換芯片

電平轉換芯片在我一般項目中用得倒不是很多，一般的項目應用上面的MOS管電路已經可以滿足需求。但是在一些高速通訊的場合，就需要用到專用的電平轉換芯片。芯片有很多種，單向電平轉換、帶方向控制的雙向電平轉換、自動雙向電平轉換等，一般來說都用上芯片了，肯定會選擇自動雙向電平轉換芯片，然后一些參數在芯片手冊都會比較詳細的給出，比如 TI 的 TXS0108EPWR：用法也是比較簡單的：

成本相對前面較高，但是速度快，雙向并且能夠自動檢測方向，高速低速場合都適用。如果對成本不敏感，電平轉換芯片是最穩定可靠的方式。

結語

本文把單片機系統中常用的電平轉換電路總結了一遍，同時對于他們的應用場合也給出了例子。

總的來說，本文還是比較簡單！當然，博主的電路小課堂就是要把我們平時常用的一些電路做好總結分析，以便于自己和小伙伴們能夠在需要的時候找到自己合適的電路。