今天我們來討論一款經典的雙向電平轉換電路，相應電路如下圖所示。

該電路的核心是一個N溝道增強型場效應管，其開關特性與NPN三極管相似，以相應的開關電路為例，當輸入為低電平“L”時，場效應管VT1處于截止狀態，相當于一個處于斷開狀態的開關，如下圖所示：

當輸入為高電平“H”時，場效應管VT1處于導通狀態，相當于一個處于閉合狀態的開關，如下圖所示：

對于電平轉換應用電路，場效應管的選型參數主要關注柵-源電壓（Gate Source Voltage, VGS），其值不能過小，否則場效應管將由于VGS小于柵極閾值電壓（GateThreshold Voltage）而無法導通（或阻值較大）。某款場效應管的電氣參數如下表所示，這意味著VGS不應該小于1.4V，為了電路工作穩定起見，最好保證不小于2.5V。

當然，VGS也不能過大，否則可能會擊穿絕緣層而損壞場效應管。某款場效應管的電氣參數如下表所示，這意味著VGS的絕對值不應該大于12V。

我們接下來分析一下雙向電平轉換電路的基本原理，首先看看從左向右的電平轉換原理（3.3V轉為5V）。當左側D0輸入高電平“H”時，由于VGS為0，所以VT1是不導通的，右側D1被電阻R2上拉為高電平（5V），如下圖所示。

當左側D0輸入低電平“L”時，由于VGS為3.3V，所以VT1處于導通狀態，右側D1被下拉至與D0相同的低電平，如下圖所示：

再來看看從右向左的電平轉換原理（5V轉為3.3V）。假設左側D0為高電平，當右側D1輸入高電平“H”時，由于VGS為0，所以VT1是不導通的，左側D0被電阻R1上拉為高電平（3.3V），如下圖所示。

當右側D1輸入高電平“H”時，轉換過程需要細分為兩個階段。由于左側D0初始為高電平“H”，VGS為0，所以VT1是不導通的，但由于場效應管有一個寄生二極管，它會將D0下拉至低電平（比D1高約一個二極管壓降，此處暫定為0.7V），所以D0也算是低電平，如下圖所示。

緊接著，此時VGS（3.3V-0.7V=2.6V）大于場效應管的柵極閾值電壓而使VT1導通，D0的電平又被進一步降低（與D1基本沒有差別），如下圖所示。

很多讀者可能對3.3V轉5V沒有什么疑問，但對于5V轉3.3V卻有點不解，為什么要假定D0為高電平“H”呢？因為這種電平轉換電路通常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，也就是說，收發雙方都只有灌電流能力，而沒有拉電流能力，就相當于一個與公共地連接的開關，如下圖所示。

也就是說，輸入高電平“H”都是由電源通過上拉電阻提供的。在開漏或開集結構輸出的雙向總線中，高電平通常是空閑狀態，典型的應用就是I2C總線（有關I2C總線的），如下圖所示。

如果收發雙方是推挽驅動（Push-Pull）結構方式，有可能會損壞收發芯片，因為會存在從電源到公共地的低阻路徑，如下圖所示。

審核編輯：湯梓紅