雙向電平轉(zhuǎn)換電路工作原理-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2025-04-14
雙向電平轉(zhuǎn)換電路的核心組件是NMOS和上拉電阻。雙向電平轉(zhuǎn)換電路通過NMOS的導(dǎo)通與截止實現(xiàn)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(zhuǎn)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(guān)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(dǎo)通電壓閾值，MOS管導(dǎo)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(guān)閉狀態(tài)，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(dǎo)通，MOS管先經(jīng)過體二極管把S（即TXD_1V8）拉低到低電平，此時Vgs≈1.8V，MOS管導(dǎo)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(xiàn)問題，即Vs=Vd+0.7，此時的Vs
2、需要注意MOS管的Vgs導(dǎo)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(xiàn)單向的電平轉(zhuǎn)換，不能雙向。
NMOS雙向電路特點：
由于雙向NMOS電路的電導(dǎo)電阻較大，適用于低頻信號電平轉(zhuǎn)換，并且價格低廉。NMOS雙向電路設(shè)計的制造成本較低，因此價格相對較低。導(dǎo)通后壓降比小于三極管。因此在一些需對電壓要求高的應(yīng)用場景中，NMOS電路更適合。正反雙向?qū)ǎ喈斢跈C械開關(guān)。雙向NMOS電路可以實現(xiàn)相當于機械開關(guān)的正反雙向電導(dǎo)，因此在一些需要頻繁切換的應(yīng)用場景中，雙向NMOS電路也具有優(yōu)勢。
I2C雙向電平轉(zhuǎn)換電路，在I2C主從設(shè)備對接時，需要考慮主從設(shè)備的電平情況，常規(guī)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(zhuǎn)換，通常是接入NMOS管。
工作原理：
當總線上沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，兩邊都沒有主動去拉低總線，因此MOS管也不導(dǎo)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(fā)送數(shù)據(jù)1到右邊時，即SDA1/SCL1為高電平3.3V，MOS管的Vgs=0，不導(dǎo)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(shù)據(jù)1發(fā)送到右邊。
當左邊需要發(fā)送數(shù)據(jù)0到右邊時，即SDA1/SCL1為低電平0V，Vgs=3.3V，MOS管導(dǎo)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(shù)據(jù)0發(fā)送到右邊。
當右邊需要發(fā)送數(shù)據(jù)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(dǎo)通，左邊保持上拉電平3.3V。即可看作右邊將數(shù)據(jù)1正常發(fā)送到左邊。
當右邊需要發(fā)送數(shù)據(jù)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(dǎo)通，MOS管的S極被拉低，Vgs接近3.3V，MOS管導(dǎo)通，進一步導(dǎo)致左邊和右邊電平一樣，為0V。即可看作右邊正常將數(shù)據(jù)0發(fā)送到左邊。
由上可知，不論I2C的主設(shè)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(dǎo)通電壓需要注意。MOS管導(dǎo)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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