雙向電平轉換電路工作原理-KIA MOS管

雙向電平轉換電路

雙向電平轉換電路的核心組件是NMOS和上拉電阻。雙向電平轉換電路通過NMOS的導通與截止實現不同電壓域信號的雙向傳輸，利用寄生二極管和上拉電阻完成電平匹配。

NMOS管電平轉換電路

原理分析：

1、當S（即TXD_1V8）輸出高電平時，MOS管Q4的Vgs=0，MOS管關閉，D（即UART1_RXD）被電阻R42上拉到3.3V；

2、當S（即TXD_1V8）輸出低電平時，MOS管Q4的Vgs=1.8V，大于導通電壓閾值，MOS管導通，Net2通過MOS管被拉低到低電平；

3、當D（即UART1_RXD）輸出高電平時，MOS管Q4的Vgs不變，MOS管維持關閉狀態，S（即TXD_1V8）被電阻R37上拉到1.8V；

4、當D（即UART1_RXD）輸出低電平時，MOS管Q4不導通，MOS管先經過體二極管把S（即TXD_1V8）拉低到低電平，此時Vgs≈1.8V，MOS管導通，進一步拉低S（即TXD_1V8）的電壓。

注意事項：

1、高電壓＞低電壓–0.7V，否則在D→S傳輸高電平時會出現問題，即Vs=Vd+0.7，此時的Vs

2、需要注意MOS管的Vgs導通電壓，一般涉及到1.8V的電路需要注意器件選型；

3、PMOS管只能實現單向的電平轉換，不能雙向。

NMOS雙向電路特點：

由于雙向NMOS電路的電導電阻較大，適用于低頻信號電平轉換，并且價格低廉。NMOS雙向電路設計的制造成本較低，因此價格相對較低。導通后壓降比小于三極管。因此在一些需對電壓要求高的應用場景中，NMOS電路更適合。正反雙向導通，相當于機械開關。雙向NMOS電路可以實現相當于機械開關的正反雙向電導，因此在一些需要頻繁切換的應用場景中，雙向NMOS電路也具有優勢。

雙向電平轉換電路工作原理

I2C雙向電平轉換電路，在I2C主從設備對接時，需要考慮主從設備的電平情況，常規的主要有3種：5V，3.3V，1.8V。如果電平相同，比如都是3.3V，那么可以直接對接。如果電平不同，一個高電平是3.3V ，另外一個是1.8V，那么就需要接入其它的器件來做一下電平轉換，通常是接入NMOS管。

工作原理：

當總線上沒有數據發送時，兩邊都沒有主動去拉低總線，因此MOS管也不導通，都因為各自的上拉電阻存在，左邊為高電平3.3V，右邊為高電平5V。

當左邊需要發送數據1到右邊時，即SDA1/SCL1為高電平3.3V，MOS管的Vgs=0，不導通，右邊因為上拉電阻的存在，SDA2/SCL2電平保持為5V。即可看作左邊正常將數據1發送到右邊。

當左邊需要發送數據0到右邊時，即SDA1/SCL1為低電平0V，Vgs=3.3V，MOS管導通，右邊電壓就跟左邊電平一樣了，SDA2/SCL2為低電平0V。即可看作左邊正常將數據0發送到右邊。

當右邊需要發送數據1到左邊時，即SDA2/SCL2為高電平5V，左邊SDA1/SCL1因為沒有主動拉低總線，所以MOS管不導通，左邊保持上拉電平3.3V。即可看作右邊將數據1正常發送到左邊。

當右邊需要發送數據0到左邊時 ，即SDA2/SCL2為低電平0V時，因為MOS管體二極管的存在，體二極管導通，MOS管的S極被拉低，Vgs接近3.3V，MOS管導通，進一步導致左邊和右邊電平一樣，為0V。即可看作右邊正常將數據0發送到左邊。

由上可知，不論I2C的主設備（Master）接在上面電路的左邊（低壓電源）還是右邊（高壓電壓），都是能夠正常通信的。

注意事項：

MOS管的S極要接到低電源那邊，不能接反。

MOS管的導通電壓需要注意。MOS管導通電壓門限（Vgsth里面的最大值）需要小于低電源電壓。

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