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电平转换电路在电路设计中会经常用到,市面上也有专用的电平转换芯片,专用的电平转换芯片主要是其转换速度较快,多使用在速度较高的通讯接口,一般对速度要求不高的控制电路,则可使用此文介绍的分立器件搭建的电平转换电路。
1、NPN三极管
下图使用NPN三极管搭建的电平转化电路属于单向的电平转换
信号发生器:3.3V,10k,50%,方波
注意事项:(1)该电路的信号只能单向传输,b→c。也可以使用NPN三极管+二极管模拟一个NMOS管来实现双向传输,但 一般不会这样使用,故此处不做介绍;
(2)输入输出为反向,可通过两个三极管解决反向的问题,但会影响整体电路的延时和转换速度;
(3)三极管所能达到的开关速度约为几十khz,下次补上实际的测试数据。
备注:该电路所能达到的转换速度主要由三极管的导通延时和c极的放电回路所产生的延时、三极管的断开延时和c极的充电回路所产生的延时产生。三极管一般不存在导通延时,且ce导通时,ce本身就是“非常好”的放电回路,故放电回路也不会存在延时问题,即导通期间几乎不存在延时。三极管断开时会存在延时,一般为us级别,不同型号具体参数也不同,且断开时,c极需要充电,即R2、Cce的充电回路也会产生延时,此延时一般取3个的延时,故断开期间的总延时为Toff + 3R2 * Cce = Toff + 3,对于一般应用而言,断开期间的总延时需要小于1/3的时间长度。即Toff + 3 < 1/3 * 1/2T,故T > 6(Toff + 3)。故理论上最大的转换频率为f <1/{6(Toff + 3)}。
Toff和Cce可通过三极管规格书查阅,R2为设计参数。
图3中的T1-T2即为三极管的断开延时,此仿真数据为383ns。
在此啰嗦一下,上述理论频率是基于两个前提条件:1、50%占空比;2、断开期间的总延时需要小于1/3的时间长度。
图 3 三极管的断开延时
2、NMOS管
下图使用NMOS管搭建的电平转化电路属于双向的电平转换
信号发生器:3.3V,10k,50%,方波(图5);5.0V,10k,50%,方波(图7)
原理分析:(1)S→D方向
S为低电平时,Vgs导通,故漏极D为低电平;此处需要注意电路是否满足Vgs的导通电压
S为高电平时,Vgs截止,故漏极D由于VCC1的上拉而为高电平。
(2)D→S方向
D为低电平时,存在VCC、R2、NMOS的体二极管回路,故源极S为低电平;二极管压降大小和流过的电流相关
D为高电平时,上述回路不存在,故源极S由于VCC的上拉而为高电平。
注意事项:(1)VCC1 > VCC – 0.7,否则在D→S传输高电平时会出现问题,即Vs = VCC1 + 0.7,此时的Vs < VCC;
(2)需要注意MOS管的Vgs导通电压,一般涉及到1.8V的电路需要注意器件选型;
(3)MOS管所能达到的开关速度约为100khz左右(需要将R1改为0Ω),下次补上实际的测试数据;
(4)PMOS管只能实现单向的电平转换,不能双向。
备注:D→S方向,源极的高电平会出现5.0V的峰值(图7),因为ds之间存在寄生电容,所以d级电平快速的从0变为5.0V时,存在电荷泵现象(电容两端的电压不能突变),导致s级的电压直接泵到5.0V,但马上会通过R2、VCC将多余的电压释放掉。若将信号发生器XFG1的上升时间设置为1us(默认为1ps),则几乎不存在5.0V峰值,因为此时s级在泵到5.0V的过程中就已经同时通过R2、VCC泄放电压了。将R1改为0Ω便解决了电荷泵的峰值问题,且开关速度能大幅提高,达到100k左右,因为此时的R1*Cgs的延时变小了,MOS管开关速度变快了。MOS管是电压驱动型,R1改为0Ω不会存在什么问题。
图4 S→D
图5 S→D仿真数据
图6 D→S
图7 D→S仿真数据
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