2020-04-29 13:51:12 信驰达科技 100

在我们电路设计中,常常会遇到通信电平转换的问题,在应用电平转换的措施之前还需要判断进行电平转换的必要性。

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解决电平转换问题,最根本的就是要解决逻辑器件接口的电平兼容问题。而电平兼容原则就两条:voh>vih,vol

当然还要考虑抗干扰能力,必须有一定的噪声容限:|voh-vih|>vn ,|vol-vil|>vn-,其中vn vn-表示正负噪声容限。只要掌握这个原则,熟悉各类器件的输入输出特性可以很自然地找到合理方案。

如果你是用的是3.3v器件作为输出,而5v器件作为接收,那么这种低电平输出不会损坏器件,而且大部分3.3v器件输出高电平的时候也能够满足5v器件的高电平输入标准,这时候你就不需要电平转换。唯一需要注意的是如果外部5v器件需要从3.3v设备取电流的话,你需要查阅数据手册上对于接口拉电流的最大值。有需要的话,增加缓冲器件(如74hc245)。

如果反过来,想要使用5v输出的器件驱动3.3v的外设的话,你就需要考虑电平转换器件的必要性了。但有些3.3v的芯片在设计中已经被设计为可容忍5v输入了。这样的芯片就可以直接使用5v的主控来直接驱动,最经典的一个例子就是74lvc系列芯片。

cmos器件对于高低电平的判断标准并不是一个具体值,而是基于电源电压的百分比。一般来说cmos器件的高电平标准应大于0.7倍的电源电压(也就是说,用5v供电时,高电平的标准将为3.5v),这就会导致3.3v标准下的高电平无法触发。但是这也不是绝对的,部分器件可以在3.3v电平标准下正常工作,即使标称的正常工作电压是5v。对于这种问题,最好还是使用写明了可以兼容3.3v电平标准的器件。

ttl器件来说,工作在5v电压下时其高电平判断的标准是确定的2v。这也是为什么单向使用ttl器件的时候能够正常判断电平高低的原因。

现在我们就介绍几种常用的通信电平转换的方案

1 晶体管上拉电阻法

就是一个双极型三极管或 mosfetc/d极接一个上拉电阻到正电源,输入电平很灵活,输出电平大致就是正电源电平。

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  (2 oc/od 器件上拉电阻法

  利用oc或者od门电路,这样集电极或者漏极都可以通过一个电阻上拉到一个新的vcc,其基极或者栅极就可以连接另外一个vcc,这样也就实现了3.3v控制5v的电平信号输出。注意这里需要选择好上拉电阻阻值,还要考虑mcuio的驱动能力。这类电路大部分运用在输出电路上的电平转换电路。

  (3 74xhct系列芯片升压 3.3v5v

  凡是输入与 5v ttl 电平兼容的 5v cmos 器件都可以用作 3.3v5v 电平转换。

  ——这是由于 3.3v cmos 的电平刚好和5v ttl电平兼容(巧合),而 cmos 的输出电平总是接近电源电平的。

廉价的选择如 74xhcthct/ahct/vhct/ahct1g/vhct1g/。。。) 系列 (那个字母 t 就表示 ttl 兼容)。

4 专用电平转换芯片

  利用特定的电平转换芯片,将3.3v5v进行转换。例如74lvc4245a74alvc164245这两款芯片用的比较多。它存在5v vcca3.3v vccb2个电源管脚,这样就可以实现5v3.3v的转换了,同时dir控制数据方向,这样也实现了3.3v5v,5v3.3v的两个方向转换。另外74lvc4245a还可以增加mcuio的电流驱动能力。我在设计中如果需要的话会首选这个芯片。74alvc16424516bit,功能和74lvc4245a差不多。

  (5 电阻分压法

最简单的降低电平的方法。5v电平,经1.6k 3.3k电阻分压,就是3.3v

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 (6 限流电阻法

如果嫌上面的两个电阻太多,有时还可以只串联一个限流电阻。某些芯片虽然原则上不允许输入电平超过电源,但只要串联一个限流电阻,保证输入保护电流不超过极限(如 74hc 系列为 20ma),仍然是安全的。

最后这里介绍一个简单的可以实现两个电平的相互转换的经典电路。

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上图中,s1s2为两个信号端,vcc_s1vcc_s2为这两个信号的高电平电压.另外限制条件为:
     1.vcc_s1<=vcc_s2.

2.s1的低电平门限大于0.7v左右(nmos内的二极管压降而定).
3.vgs<=vcc_s1.

4.vds<=vcc_s2

对于3.3v5v/12v等电路的相互转换,nmos管选择ap2306即可,原理比较简单。

如下图mos-n 场效应管 双向电平转换电路 -- 适用于低频信号电平转换的简单应用。

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如上图所示电路,双向传输原理:
为了方便讲述,定义 3.3v a 端,5.0v b 端。
a
端输出低电平时(0vmos管导通,b端输出是低电平(0v

a端输出高电平时(3.3v),mos管截至,b端输出是高电平(5v

a端输出高阻时(ocmos管截至,b端输出是高电平(5v

b端输出低电平时(0vmos管内的二极管导通,从而使mos管导通,a端输出是低电平(0v

b端输出高电平时(5vmos管截至,a端输出是高电平(3.3v

b端输出高阻时(ocmos管截至,a端输出是高电平(3.3v

优点:

1、适用于低频信号电平转换,价格低廉。

2、导通后,压降比三极管小。

3、正反向双向导通,相当于机械开关。

4、电压型驱动,当然也需要一定的驱动电流,而且有的应用也许比三极管大。


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