電平轉換在電路設計中非常常見，因為做電路設計很多時候就像在搭積木，這個電路模塊，加上那個電路模塊，拼拼湊湊連起來就是一個電子產品了。而各電路模塊間經常會出現電壓域不一致的情況，所以模塊間的通訊就要使用電平轉換電路了。

上圖是用MOS管實現的I2C總線電平轉換電路，實現3.3V電壓域與5V電壓域間的雙向通訊。掛在總線上的有3.3V的器件，也有5V的器件，通過這個電路，大家就可以愉快地玩耍聊天了。

實物對照圖如下。實物的上拉電阻用了4.7K歐姆，可以提供更大的電流驅動能力。在滿足電路性能的前提下，我喜歡用阻值更大的電阻，因為功耗更低更省電。

原理分析

簡化來看，留下I2C的一根線來分析就可以了，如下圖。

分四種情況：

1、當SDA1輸出高電平時：MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管關閉，SDA2被電阻R3上拉到5V。

2、當SDA1輸出低電平時：MOS管Q1的Vgs = 3.3V，大于導通電壓，MOS管導通，SDA2通過MOS管被拉到低電平。

3、當SDA2輸出高電平時：MOS管Q1的Vgs不變，MOS維持關閉狀態，SDA1被電阻R2上拉到3.3V。

4、當SDA2輸出低電平時：MOS管不導通，但是它有體二極管!MOS管里的體二極管把SDA1拉低到低電平，此時Vgs約等于3.3V，MOS管導通，進一步拉低了SDA1的電壓。

注：

低電平指等于或接近0V。

高電平指等于或接近電源電壓。所以3.3V電壓域的器件，其高電平為等于或接近3.3V;5V電壓域的器件，其高電平為等于或接近5V。

具體要求看芯片的數據手冊是怎么說明這個限定范圍的，常見的比如說0.3倍的“芯片供電電壓”以下為低電平，0.7倍的“芯片供電電壓”以上為高電平。也就是說“芯片供電電壓”為5V的時候，5 x 0.3 = 1.5V 以下為低電平，5 x 0.7 = 3.5V 以上為高電平。

某一個芯片數據手冊里關于高低電平的閾值范圍說明

注意事項

以上是3.3V與5V之間的情況，如果換用其他電壓域之間的轉換，如3.3V、2.5V、1.8V等電壓值的兩兩之間，需要注意MOS管的Vgs開啟導通電壓。

給MOS管過高的Vgs會導致MOS管燒壞!給過低的Vgs會導致MOS管打不開!不同型號的MOS管這個參數值還不一樣!!!

舉例：其中一個廠家生產的2N7002的數據手冊，Vgs不能超過正負20V

再來看一下，設計電路時Vgs可能設計過小的情況，下圖是2N7002的數據手冊：

舉例：其中一個廠家生產的2N7002的數據手冊，Vgs的開啟電壓為1V

實際使用時為保證完全開啟、完全導通，設計上要多預留余量，比如實際電路中Vgs起碼給到1.8V。因為1.8V的設計參數接近數據手冊標注的1V臨界值，尤其注意用實驗驗證，確保萬無一失。

總結

3.3V跟5V互轉的電路已經是一個經典電路，實在是硬件設計師居家旅行、護院看家，必備良藥!MOS管型號就記住用2N7002，這個型號便宜，性能久經考驗，不像有些MOS管外型看起來跟2N7002一樣，但實際是大功率的，有部分性能規格浪費了，有部分性能規格又不一定能滿足需要，主要是還賊貴，具體其他MOS是怎樣的這里就不細究啦。