三极管电平转换电路设计

在数字电路的领域，常常把电压简化为电平，来描述逻辑状态。比如TTL电平信号规定，+5V等价于逻辑“1”，也称为高电平，0V等价于逻辑“0”，也就是低电平。数字电路里，只有0和1两个状态。其实从0V到+5V，有无数个电压，为了便于处理数字电路，我们可以把无数个状态按照电压范围，简化为2个电平，因为我们只需要2个电平就能描述0和1这两种状态。

假设有两个电路板需要通信，但是两个电路板的电平标准不一样：对于数字“1”，一个板子认为5V左右的电压表示“1”;另一个板子认为3.3V左右的电压表示“1”。即两个板子对于高电平的定义不一样，不能直接通信，这中间就需要一个翻译。

翻译工作可以由一个三极管电路来完成。由于只有0和1两种情况，此时我们称三极管工作在开关状态。

当三极管的发射结导通以后，集电极与发射极之间会有电子流动，形成通路。饱和时集电极与发射极之间的电压Vce最低只有几十毫伏，可以忽略不计。所以，我们可以把输入的电平连接到三极管的基极。对于NPN型的三极管，把电源正极连接集电极，电源地连接发射极。然后从集电极引出输出电平。如果发射结导通，输出电平等于Vce,约等于0;如果发射结截止，输出电平等于电源电压。为了保证即便集电极与发射极导通，电源也不会被短路，应该在集电极串联一个电阻;同时，如果基极电流过大，可能在发射结导通的时候烧坏三极管，所以基极应该有串联电阻，因此可得原理图：

分析原理图可知，基极高电平时，发射结导通，集电极“相当于”接地(其实还有几十毫伏饱和压降);基极低电平时，发射结不导通，集电极与VCC连接，是高电平。此电路可以实现电平转换的功能，只不过相位正好相反了。

在此电路中有两个电阻，作用都是限流，让板子不被大电流烧坏。要保证三极管处于饱和区，集电极电流已经饱和，基极电流再增大，集电极电流也不会增大，也就是说，Ic/Ib。

配套电路板中的三极管的Hfe至少是200倍。当发射结导通时，为了使三极管工作在饱和区，需设定集电极电流达不到基极电流的200倍。从图中可以看出，如果想要集电极与发射极之间的饱和压降尽可能小一点，可以把集电极电流设置为几毫安。电路板中集电极限流电阻取值为2.4K，在电源电压为5V的时候，集电极电流只有2mA左右。基极限流电阻取值为30K，当基极电压为3.3V的时候，基极电流不到100uA。集电极电流是基极电流的二十多倍，三极管工作在饱和区。