本文重點講解16種方法,統計如下:
直接連接(警告:僅使用 5V 容限輸入!!!)
串聯電阻器。
帶上拉電阻的串聯二極管。
帶有源鉗位的串聯電阻器。
電阻和齊納二極管。
電阻分壓器。
兩個級聯雙極型晶體管/MOSFET 作為緩沖器。
漏極/集電極開路輸出上的上拉電阻。
增加具有漏極/集電極開路輸出的 5V 供電邏輯 IC(緩沖器、柵極等)。
增加具有 5V 容限輸入的 3.3V 供電邏輯 IC(緩沖器、柵極等)。
系列 MOSFET(通用柵極配置)。
雙極型晶體管系列(通用底座配置)。
電平轉換器。
光耦合器
1、直接連接(僅限于5V容限輸入)
最簡單的方法是直接連接。
優勢:
沒有額外的成本或空間
最快的解決方案
劣勢:
僅適用于 5V 容限器件
2、串聯電阻器
將5V連接至3.3V系統的第二種最簡單方法是使用串聯電阻。
上圖串聯電阻器用于將一個 5V 輸出連接至一個 3.3V 輸入。輸入端必須有其保護二極管。 工作原理如下: 3.3V(非5V容限IC)的輸入通常由二極管保護:一個朝向VDD,另一個朝向GND,如下圖所示。這些二極管通常為關斷,因為它們都是反向偏置的。但是,如果嘗試輸入大于VDD,3.3V的電壓,它們會將輸入電壓箝位為VDD,3.3V(加上正向二極管電壓,通常為0.7V)。由于開關器件的電容耦合或振鈴,即使在僅3.3V的系統上,也可能發生大于VDD,3.3V的瞬態尖峰。
當5V信號通過電阻饋送到輸入端時,二極管將導通:電阻限制流入引腳的電流,保護輸入。進入引腳的最大電流有時會在數據表中注明,并且應保持較低水平,原因有兩個:
除了漏電流外,沒有電流會流入引腳。由于閂鎖現象,可能會發生損壞。
流入輸入引腳的電流將從VDD引腳流出!如果這樣的電流太大,可能會增加整個系統的VDD電壓,破壞IC。如果系統的電流消耗大于流入PIN的電流,那么應該沒有問題。否則,建議在VDD,3.3V和GND之間放置一個虛擬負載。負載的值應使其至少吸附流入所有輸入的電流。
要計算,只需將輸入電流視為I=(5V-3.3V)/RS。然后在VDD,3.3V和GND之間放置一個電阻,使其將吸收相同的電流I。換句話說:RLOAD = RS 3.3V (5V-3.3V) 或約 2 RS。如果有多個輸入,則必須相應地降低 RLOAD。如果您的系統已經從3.3V吸收“I”(例如,由于IC電流消耗或存在始終接通的LED),那么您可以省略或增加RLOAD。. 該解決方案還有另一個缺點:除非使用低值電阻,否則它會嚴重限制帶寬。事實上,輸入引腳和走線都會有一定的寄生電容.
優勢:
簡單的解決方案:每個輸入引腳只有一個電阻。
劣勢:
高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。
輸出過載(使用低值電阻器)
進入輸入端的電流可能會導致鎖存。
如果 3.3V 系統具有非常低的最小電流消耗,則需要在 3.3V 電源上使用一個外部負載電阻器。
3.3V電源上可能由于電流注入而產生噪聲。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
3、串聯電阻器,帶有朝向 3.3V線路的外部肖特基二極管箝位
該電路與以前的解決方案類似,但可以實現更快的速度,因為大部分電流將由肖特基二極管承載,而不是保護二極管。 這仍然有將電流饋送到VDD,3.3V線的缺點。因此,系統必須“消耗”這種電流,如前一種情況所示。
優勢:
可實現更大的帶寬。
注入輸入引腳的電流可忽略不計。
劣勢:
每個輸入需要兩個元件(電阻和肖特基二極管)。
高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。
輸出過載(使用低值電阻器)
如果 3.3V 系統具有非常低的最小電流消耗,則需要在 3.3V 電源上使用一個外部負載電阻器。
3.3V電源上可能由于電流注入而產生噪聲。
還必須考慮二極管的電容。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
4、帶有源鉗位的串聯電阻器。
與其將輸入電流重定向到VDD,3.3V,不如將其耗散到地,這樣就不會發生VDD,3.3V電平變化。
當輸入電壓大于3.9V時,PNP BJT將持續傳導。該解決方案允許使用更小的電阻(更高的帶寬)。 值得注意的是,仍然有電流注入VDD,3.3V,但是,這種電流將比流入RS的電流小很多倍。
另一個問題是,在某些IC上,當輸入端的值比3.3V電平低至0.35V時,它們的保護二極管開始導通。在這種情況下,BJT基極不應連接到3.3V,而應連接到稍小的電壓(如果系統上可用)。
優勢:
可實現更大的帶寬。
注入3.3V電源線的電流非常小。
小電流注入輸入引腳。
劣勢:
每個輸入需要兩個元件(電阻和雙極型晶體管)。
高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。
輸出過載(使用低值電阻器)
如果3.3V系統具有極低的最小電流消耗,則仍可能需要在3.3V電源上使用外部負載電阻。
由于電流注入3.3V電源,3.3V電源上仍可能存在噪聲。
在某些情況下,可能需要另一個電源(低于3.3V)將電壓箝位到輸入保護二極管的導通電壓以下。
BJT的電容仍然必須考慮在內。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
箝位電壓可能過高(約3.9V)。可能需要另一個電壓源(小于3.3V)。
5、電阻器和齊納二極管
我們可以不使用BJT,而是使用齊納二極管,它將電壓削波到Vz值。問題在于,低值齊納二極管具有相當大的動態電阻,并且必須有大電流流入齊納二極管,才能實際顯示Vz值(幾mA)。
優勢:
帶寬類似于肖特基或有源箝位解決方案,因為可以使用低值電阻。
沒有電流注入3.3V電源線。
沒有電流注入輸入引腳。
比BJT或肖特基的成本更低。
箝位電壓可以低于BJT。
劣勢:
每個輸入需要兩個元件(電阻和齊納二極管)。
高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。
輸出過載(使用低值電阻器)
還必須考慮二極管的電容。
輸出電壓并不精確,因為一些低值齊納二極管的動態電阻非常差。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
6、帶上拉電阻的串聯二極管。
如果您的3.3V系統接受高達0.7V的低電平輸入電壓,則可以使用普通的1N4148二極管,如下所示。如果您想要更大的噪聲裕量(或者如果只是0.7V太高),請改用肖特基二極管。 工作原理很簡單:當5V系統輸出5V時,二極管反極化,因此是開路的。3.3V系統的輸入通過R1被上拉至3.3V。然后5V系統輸出0V,二極管正向偏置,因此3.3V輸入端的電壓將是二極管的正向壓降:硅二極管約為0.6-0.7V,肖特基二極管約為0.35V。切記使用快速信號二極管!(即不要使用1N4007!)
優勢:
帶寬類似于肖特基箝位解決方案,因為可以使用低值上拉電阻。
沒有電流注入3.3V電源線。
沒有電流注入輸入引腳。
劣勢:
每個輸入需要兩個元件(電阻和二極管)。
高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。
輸出過載(使用低值電阻器)
還必須考慮二極管的電容。
低電平輸出電壓是二極管的正向壓降。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
7、電阻分壓器
降低5V電壓的一種簡單方法是通過電阻分壓器!
電阻分壓器相對于單個電阻表現更好。給定相同的帶寬,與已經檢查過的其他解決方案相比,它消耗的更少(直接連接除外!)
優勢:
相對于其他系統(直接連接除外)而言,在相同消耗(或相同帶寬下消耗較小)的帶寬更好。
沒有電流注入3.3V電源線。
沒有電流注入輸入引腳。
成本低于 BJT、肖特基或齊納。
對稱上升/下降時間。
劣勢:
每個輸入需要兩個元件(兩個電阻)。
高功率使用率(使用低值電阻)或低帶寬(高值電阻)。
輸出過載(使用低值電阻器)
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
8、雙極型晶體管/MOSFET 作為逆變器
如果您可以接收反相信號,則可以使用BJT或MOSFET。
帶寬主要由上拉電阻和寄生電容(必須包括BJT/MOSFET的電容!)決定。
優勢:
沒有電流注入3.3V電源線。
無輸出過載。
沒有電流注入輸入引腳。
劣勢:
每個輸入需要兩個或三個元件(BJT/MOSFET和一個或兩個電阻器)。
高功耗(使用低值上拉電阻)
反轉輸出!
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
9、兩個級聯的雙極型晶體管/MOSFET作為緩沖器。
您可以級聯兩個以前的 BJT/MOSFET 電阻器逆變器。這樣,輸出就不會反轉。
優勢:
沒有電流注入3.3V電源線。
無輸出過載。
沒有電流注入輸入引腳。
邏輯電平不會反轉。
劣勢:
需要很多組件!
高功耗(使用低值上拉電阻)
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
與前一種情況相比,帶寬較小,因為兩級級聯。
10、開漏/耦合器輸出端上的上拉電阻
僅當輸出為集電極/漏極開路時,此方法才有效。
這與“BJT/MOSFET作為逆變器”非常相似。由于輸出是漏極開路,因此必須插入一個上拉電阻。
優勢:
需要單個電阻器。
沒有電流注入引腳。
沒有電流注入3.3V線路。
劣勢:
高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
11、邏輯IC(緩沖器、柵極等),具有漏極開路/集電極輸出。
您可以連接漏極開路/集電極緩沖器/柵極IC,外加一個上拉電阻,如下所示。緩沖器/柵極由5V供電,因此可接受5V。
優勢:
沒有電流注入引腳。
沒有電流注入3.3V線路。
劣勢:
高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。
該解決方案需要一個緩沖器和一個電阻器。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
12、增加具有 5V 容限輸入的 3.3V 供電邏輯 IC(緩沖器、柵極等)
您可以連接一個 5V 容限 IC,供電電壓為 3.3V,例如 SN74LV1T34。
優勢:
沒有電流注入引腳。
沒有電流注入3.3V線路。
低功耗。
快。
高噪聲裕量。
劣勢:
成本和空間
13、MOSFET 系列(通用柵極配置)
我們可以使用公共柵極配置,而不是在公共源配置中使用MOSFET。MOSFET實際上將是串聯的。MOSFET 必須是 2.5V 邏輯電平 MOSFET,否則將無法工作。
電路的工作原理如下。 當Vin為5V時,MOSFET將關閉,因為VGS = 0V(被R2束縛)。當Vin為0V時,由于MOSFET的漏體寄生二極管,輸出最初將變為0.7V。因此,VGS將變為3.3V-0.7V = 2.6V。由于這是一個2.5V邏輯電平MOSFET,MOSFET將導通,現在有效地充當短路。輸出為0V。 正如我們將在“連接3.3V至5V系統”中所示,該電路也可以雙向工作,即它將3.3V信號轉換為5V信號!
優勢:
沒有電流注入3.3V電源線。
沒有電流注入輸入引腳。
非反相輸出。
可以是雙向的。
劣勢:
每個輸入需要兩個元件(MOSFET和一個電阻器)。
高功耗(使用低值上拉電阻)
輸出過載(使用低值上拉電阻)
還必須考慮MOSFET的電容。
需要一個 2.5V 邏輯電平 MOSFET。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
14、雙極型晶體管系列(通用底座配置)
也可以使用BJT,但發射器必須在5V側(MOSFET的源極是在3.3V側!
其工作原理如下:當輸入為5V時,VBE=-1.7,因此BJT為OFF。3.3V側上拉。當VIN為0V時,基極-發射極結將正向極化,BJT將導通,將“0”邏輯電平傳輸到3.3V側。
優勢:
沒有電流注入3.3V電源線。
沒有電流注入輸入引腳。
非反相輸出。
劣勢:
每個輸入需要三個元件(BJT和兩個電阻)。
高功耗(使用低值上拉電阻)
輸出過載(使用低值上拉電阻)
BJT的電容仍然必須考慮在內。
VCE,sat被添加到低值輸出中。
3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。
15、電平轉換器
為了實現最快的速度、最低的功耗和更好的信號電平,您可以使用電平轉換器 IC,如 74LVC8T245(8 位)或 74LVC1T45(1 位)。然而,它們成本很高,占用空間,并且需要另外兩個去耦電容(原理圖中未顯示)。 通常,電平轉換器具有不同數量的輸入/輸出,它們也可以是雙向的(由數據方向控制或自動控制)。
優勢:
沒有電流注入3.3V電源線。
沒有電流注入輸入引腳。
非反相輸出(也有反相轉換器)。
無輸出過載。
非常高的帶寬。
良好的信號水平。
收發器的輸出也可以加載。
靜態功耗可忽略不計。
劣勢:
成本(電平轉換器比一對電阻器或MOSFET/二極管貴得多)。
所需的空間(特別是在需要很少輸入的情況下)。
16、光耦合器/隔離器
當您需要連接兩個單獨的系統,或者當您需要在同一電路/系統的兩個部分之間進行電氣絕緣時,這種技術特別有用,并推薦使用。當處理遠高于5V(例如24V)的電壓時,它也非常有用。 請注意,這兩個系統也可能共享相同的接地,但是,在這種情況下,您將失去它們之間的電氣絕緣。
在下面的原理圖中,我們展示了一個帶有晶體管輸出的標準光耦合器。有些光耦合器已經提供了數字,并且在某些情況下不需要Rpu(檢查輸出是否為集電極開路)。
最近,其他類型的隔離器已經問世。這些不是基于光學的,而是基于電容式,巨磁阻或磁耦合。這些通常更快,但要貴得多。 在所有這些具有直接數字輸出的光耦合器/隔離器中,只能使用反相和非反相配置的第一個版本(即光耦合器連接在3.3V系統的輸入和地之間)。
優勢:
兩個系統之間的電氣絕緣。它不僅提供更好的噪聲性能,而且還提高了系統的安全性。
允許將任何電壓電平轉換為“任何”電壓電平。
通過正確選擇接地或電源(取決于配置),您可以實現其他類型的電壓轉換(例如-12V...+12V至0...3.3V轉換)。
劣勢:
它需要一個光耦合器。
標準光耦合器通常速度較慢。對于高數據速率,需要特殊的“高速”光耦合器。
由于內部LED,電流消耗相對較高。
如果需要高帶寬,則功耗較高,因為如果需要較小的上升/下降時間,則Rpu/Rpd需要相當小。
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審核編輯:劉清
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原文標題:16種實用的將5V輸出連接到3.3V輸入的方法
文章出處:【微信號:mcu168,微信公眾號:硬件攻城獅】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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