基于NMOSFET的电平转换电路设计_编程开发

基于NMOSFET的电平转换电路设计

创始人

2024-05-30 20:20:33

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一、概述：

在单片机系统中，5V、3.3V是芯片常用的电平。而在传输协议中(如IIC、SPI等协议)，存在芯片与芯片的高电平和低电平定义的范围不一样，所以需要存在一个电平转换电路，来使芯片与芯片之间顺利的传输。

二、前置知识

该电路是通过N沟道MOSFET管的开关来实现的。所以先让我们探讨NMOSFET是怎样工作的？

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图2.1 增强型NMOSFET的符号

①当UGSU_{GS}UGS > UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)时，D和S的N沟道导通，这时在D和S间加上电压，电流将会在从D流向S。（不同型号的NMOS管，他们的UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)不同，即开启电压不一样。详情请参考他们的数据手册）

②当UGSU_{GS}UGS < UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)时，D和S的N沟道不导通，NMOSFET将截止，DS间则无电流流过。

注：本文着重于电平转换电路，如还是无法明白NMOS管的导通原理，建议去看一下模电书本，再进行下面阅读。

三、电路实现

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图3.1 电平转换电路

四、电路仿真(multisim)

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图4.1.1 5V转3.3V仿真电路

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图4.1.2 5V转3.3V仿真电路

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图4.2.1 3.3V转5V仿真电路

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图4.2.2 3.3V转5V仿真电路

五、电路实现原理

5.1 5V转3.3V

①当左边输入5V时，UGSU_{GS}UGS = 0V(UG=3.3VU_G = 3.3VUG=3.3V、USU_SUS = 3.3V)，所以NMOSFET截止，DS不导通，所以右边电平被拉到了3.3V。如下图5.1.1.1所示。
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图5.1.1.1 5V转3.3V电路

②当左边输入0V时，右边为3.3V。这时NMOS管下面的二极管导通，右边电位被钳位在0.7V左右。如下图5.1.2.1所示。
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图5.1.2.1 5V转3.3V电路

这时的 UGSU_{GS}UGS = 2.6V，NMOS管被导通，DS可以流过电流。由于D和S间的电压比二极管的电压小，所以二极管被短路了，右边电压变成了0V。如下图5.1.2.2所示。(AO3402的UGS(th)U_{GS}(th)UGS(th)大约在1.5V左右。右边电压不是准确的0V，由于RDSR_{DS}RDS电阻的存在，右边大概几百mV到几十mV。)

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