今天我們來(lái)討論一款經(jīng)典的雙向電平轉(zhuǎn)換電路，相應(yīng)電路如下圖所示。

該電路的核心是一個(gè)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，其開(kāi)關(guān)特性與NPN三極管相似，以相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電路為例，當(dāng)輸入為低電平“L”時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管VT1處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于一個(gè)處于斷開(kāi)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)，如下圖所示：

當(dāng)輸入為高電平“H”時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管VT1處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)處于閉合狀態(tài)的開(kāi)關(guān)，如下圖所示：

對(duì)于電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路，場(chǎng)效應(yīng)管的選型參數(shù)主要關(guān)注柵-源電壓（Gate Source Voltage, VGS），其值不能過(guò)小，否則場(chǎng)效應(yīng)管將由于VGS小于柵極閾值電壓（GateThreshold Voltage）而無(wú)法導(dǎo)通（或阻值較大）。某款場(chǎng)效應(yīng)管的電氣參數(shù)如下表所示，這意味著VGS不應(yīng)該小于1.4V，為了電路工作穩(wěn)定起見(jiàn)，最好保證不小于2.5V。

當(dāng)然，VGS也不能過(guò)大，否則可能會(huì)擊穿絕緣層而損壞場(chǎng)效應(yīng)管。某款場(chǎng)效應(yīng)管的電氣參數(shù)如下表所示，這意味著VGS的絕對(duì)值不應(yīng)該大于12V。

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

當(dāng)左側(cè)D0輸入低電平“L”時(shí)，由于VGS為3.3V，所以VT1處于導(dǎo)通狀態(tài)，右側(cè)D1被下拉至與D0相同的低電平，如下圖所示：

再來(lái)看看從右向左的電平轉(zhuǎn)換原理（5V轉(zhuǎn)為3.3V）。假設(shè)左側(cè)D0為高電平，當(dāng)右側(cè)D1輸入高電平“H”時(shí)，由于VGS為0，所以VT1是不導(dǎo)通的，左側(cè)D0被電阻R1上拉為高電平（3.3V），如下圖所示。

當(dāng)右側(cè)D1輸入高電平“H”時(shí)，轉(zhuǎn)換過(guò)程需要細(xì)分為兩個(gè)階段。由于左側(cè)D0初始為高電平“H”，VGS為0，所以VT1是不導(dǎo)通的，但由于場(chǎng)效應(yīng)管有一個(gè)寄生二極管，它會(huì)將D0下拉至低電平（比D1高約一個(gè)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(shí)VGS（3.3V-0.7V=2.6V）大于場(chǎng)效應(yīng)管的柵極閾值電壓而使VT1導(dǎo)通，D0的電平又被進(jìn)一步降低（與D1基本沒(méi)有差別），如下圖所示。

很多讀者可能對(duì)3.3V轉(zhuǎn)5V沒(méi)有什么疑問(wèn)，但對(duì)于5V轉(zhuǎn)3.3V卻有點(diǎn)不解，為什么要假定D0為高電平“H”呢？因?yàn)檫@種電平轉(zhuǎn)換電路通常只能用于收發(fā)雙方都是開(kāi)集（Open Collector, OC）或開(kāi)漏（Open Drain, OD）結(jié)構(gòu)輸出的雙向信號(hào)線，也就是說(shuō)，收發(fā)雙方都只有灌電流能力，而沒(méi)有拉電流能力，就相當(dāng)于一個(gè)與公共地連接的開(kāi)關(guān)，如下圖所示。

也就是說(shuō)，輸入高電平“H”都是由電源通過(guò)上拉電阻提供的。在開(kāi)漏或開(kāi)集結(jié)構(gòu)輸出的雙向總線中，高電平通常是空閑狀態(tài)，典型的應(yīng)用就是I2C總線（有關(guān)I2C總線的），如下圖所示。

如果收發(fā)雙方是推挽驅(qū)動(dòng)（Push-Pull）結(jié)構(gòu)方式，有可能會(huì)損壞收發(fā)芯片，因?yàn)闀?huì)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