mos双向电平转换电路_二极管电平转换电路

电平转换电路在电路设计中会经常用到，市面上也有专用的电平转换芯片，专用的电平转换芯片主要是其转换速度较快，多使用在速度较高的通讯接口，一般对速度要求不高的控制电路，则可使用此文介绍的分立器件搭建的电平转换电路。

1、NPN三极管

下图使用NPN三极管搭建的电平转化电路属于单向的电平转换

信号发生器：3.3V，10k，50%，方波

注意事项：

(1)该电路的信号只能单向传输，b→c。也可以使用NPN三极管+二极管模拟一个NMOS管来实现双向传输，但 一般不会这样使用，故此处不做介绍;

(2)输入输出为反向，可通过两个三极管解决反向的问题，但会影响整体电路的延时和转换速度;

(3)三极管所能达到的开关速度约为几十khz，下次补上实际的测试数据。

备注：该电路所能达到的转换速度主要由三极管的导通延时和c极的放电回路所产生的延时、三极管的断开延时和c极的充电回路所产生的延时产生。三极管一般不存在导通延时，且ce导通时，ce本身就是“非常好”的放电回路，故放电回路也不会存在延时问题，即导通期间几乎不存在延时。三极管断开时会存在延时，一般为us级别，不同型号具体参数也不同，且断开时，c极需要充电，即R2、Cce的充电回路也会产生延时，此延时一般取3个的延时，故断开期间的总延时为Toff + 3R2 * Cce = Toff + 3，对于一般应用而言，断开期间的总延时需要小于1/3的时间长度。即Toff + 3< 1/3 * 1/2T，故T > 6(Toff + 3)。故理论上最大的转换频率为f <1/{6(Toff + 3)}。

Toff和Cce可通过三极管规格书查阅，R2为设计参数。

图3中的T1-T2即为三极管的断开延时，此仿真数据为383ns。

在此啰嗦一下，上述理论频率是基于两个前提条件：1、50%占空比;2、断开期间的总延时需要小于1/3的时间长度。

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;图 3 三极管的断开延时

2、NMOS管

下图使用NMOS管搭建的电平转化电路属于双向的电平转换

信号发生器：3.3V，10k，50%，方波(图5);5.0V，10k，50%，方波(图7)

原理分析：

(1)S→D方向

S为低电平时，Vgs导通，故漏极D为低电平;此处需要注意电路是否满足Vgs的导通电压

S为高电平时，Vgs截止，故漏极D由于VCC1的上拉而为高电平。

(2)D→S方向

D为低电平时，存在VCC、R2、NMOS的体二极管回路，故源极S为低电平;二极管压降大小和流过的电流相关。

D为高电平时，上述回路不存在，故源极S由于VCC的上拉而为高电平。

注意事项：

(1)VCC1 > VCC – 0.7，否则在D→S传输高电平时会出现问题，即Vs = VCC1 + 0.7，此时的Vs < VCC;

(2)需要注意MOS管的Vgs导通电压，一般涉及到1.8V的电路需要注意器件选型;

(3)MOS管所能达到的开关速度约为100khz左右(需要将R1改为0Ω)，下次补上实际的测试数据; (4)PMOS管只能实现单向的电平转换，不能双向。

备注：D→S方向，源极的高电平会出现5.0V的峰值(图7)，因为ds之间存在寄生电容，所以d级电平快速的从0变为5.0V时，存在电荷泵现象(电容两端的电压不能突变)，导致s级的电压直接泵到5.0V，但马上会通过R2、VCC将多余的电压释放掉。若将信号发生器XFG1的上升时间设置为1us(默认为1ps),则几乎不存在5.0V峰值，因为此时s级在泵到5.0V的过程中就已经同时通过R2、VCC泄放电压了。将R1改为0Ω便解决了电荷泵的峰值问题，且开关速度能大幅提高，达到100k左右，因为此时的R1*Cgs的延时变小了，MOS管开关速度变快了。MOS管是电压驱动型，R1改为0Ω不会存在什么问题。

;图4 S→D

;图5 S→D仿真数据

;图6 D→S

;图7 D→S仿真数据

审核编辑：汤梓红