解析双向逻辑电平转换器的工作原理

信号的逻辑电平是它可以存在的电压或状态。在数字电子世界中，输入和输出只允许有两个电压电平或状态，通常称为逻辑 1 和逻辑 0，或 ON 和 OFF 或 TRUE 和 FALSE 或 HIGH 和 LOW。

根据逻辑系列的类型，这些逻辑电平的电压会有所不同。如果沿着记忆通道走一趟，那么可以记住一些逻辑系列：

• RTL（电阻 - 晶体管逻辑）
• ECL（发射器 - 耦合逻辑）
• DTL（二极管 - 晶体管逻辑）
• TTL（晶体管 - 晶体管逻辑）
• PMOS（P型MOS逻辑）
• NMOS（N型MOS逻辑）
• CMOS（互补 MOS 逻辑）

每个逻辑系列都定义有自己的逻辑电压电平，对应于逻辑高和逻辑低，以及它们的输入和输出阈值。让我们关注半导体历史上两个重要的逻辑系列：TTL 和 CMOS。

下图显示了 5V TTL、5V CMOS 和 3.3V TTL 逻辑系列的输入和输出电压阈值。

为什么我们需要改变逻辑电平？

为了比较，选择 5V TTL、5V CMOS 和 3.3V CMOS 逻辑系列（因为 CMOS 成为现代 VLSI 的主导技术，而 TTL 在早期的“74”系列 IC 中很流行）。

如果我们想将 5V 设备与 3.3V 设备连接怎么办？反之亦然？如果仔细查看上面带有阈值电压的图像，那么可以看出问题所在。

例如，如果你想连接一个 3.3V CMOS 设备和一个 5V TTL 设备，那么应该没有任何问题，因为 3.3V CMOS 设备的逻辑高输出在 2.4V 和 3.3V 之间，而 5V TTL 设备的逻辑高输入介于 2V 和 5V 之间。

但是，如果想连接其他方式，即 5V TTL 设备和 3.3V CMOS 设备怎么办？那么我们就有问题了。3.3V CMOS 器件的逻辑高电平输入介于 2V 和 3.3V 之间，而 5V TTL 器件的逻辑高电平输出介于 2.4V 和 5V 之间，远远超过 3.3V 器件的处理能力。

大多数 3.3V 设备可以承受高达 3.6V 的电压，超过 3.6V 的电压会烧毁 IC。因此，在连接具有不同逻辑电平的 IC 或设备时，您必须格外小心。

有两种方法可以解决此问题。一种是使用分压器电路的粗略方法，另一种方法（也是更好的方法）是使用逻辑电平转换器或逻辑电平转换器。

简单的分压器

由于将 3.3V 设备与 5V 设备连接没有问题，因此当您想将 5V 设备与 3.3V 设备连接时，可以使用分压器电路。

分压器电路只需使用两个电阻即可将高输入电压（例如 5V）简单地转换为低输出电压（例如 3.3V）。

根据基本电路理论，可以推导出 V OUT的方程为：

V OUT = (V IN * R 2 ) / (R 1 + R 2 )

在上述电路中，假设 V IN为5V，V OUT为3.3V。如果选择 R 1为 1 kΩ，则使用上述等式我们得到 R 2为 1,914 Ω。与此结果最接近的电阻值为 2.2 kΩ。

如果使用上述等式，其中 V IN为 5V，R 1为 1 kΩ，R 2为 2.2 kΩ，则得到 V OUT为 3.4V，这是 3.3V 逻辑器件的可接受值。

然而，分压器并不是逻辑电平转换的理想解决方案。此方法仅用于慢速信号和开关输入。对于 I 2 C 或 SPI等高速信号，这不是一种可靠的方法。

双向逻辑电平转换器

多年来，我们看到了很多 3.3V 设备，如 Raspberry Pi、ESP8266、ESP32、Nokia 5110 LCD、HC-05 蓝牙模块、BMP180 气压传感器等。

如果要将 3.3VI 2 C 或 SPI 传感器连接到支持双向通信的 Arduino 等 5V 设备，则解决方案是使用外部电平转换器或逻辑电平转换器。

这里介绍的逻辑电平转换器通过每条总线使用一个 MOSFET 支持双向电平转换，它还保护低压侧免受高压侧尖峰的影响。

考虑以下由具有内部漏极 - 衬底二极管的 N 沟道 MOSFET 组成的电路（拥有一个很重要）。让我们将电路分为左侧或低压侧和右侧或高压侧两部分。

双向逻辑电平转换器

每一侧都有不同的电源电压和不同的逻辑电平。低压侧的总线被拉高至 3.3V，并且该侧的设备电源为 3.3V。

右侧总线拉高至 5V，器件电源电压为 5V。MOSFET 的栅极必须连接到低压电源，在这种情况下为 3.3V。MOSFET 的源极和漏极分别连接到低压总线和高压总线。

这个简单的电路充当双向逻辑电平转换器。

双向逻辑电平转换器如何工作？

现在看看上述设置如何作为双向逻辑电平转换器工作。为了清楚地理解工作，让我将操作分为三种状态。

1、待机状态

在第一种状态下，设备（即低压侧的设备或高压侧的设备）都没有将总线拉低。在这种情况下，低压总线被拉高到低电压

由于MOSFET的栅极和源极都连接到3.3V，V GS为0V，低于MOSFET的阈值电压。结果，MOSFET 不导通，这允许高压总线被拉高至 5V。

因此，在这种状态下，总线的两侧都处于逻辑高电平，但电压电平不同。

2、3.3V 器件拉低总线

第二种状态是 3.3V 器件将总线拉低至逻辑低电平。MOSFET 的栅极仍为 3.3V，但源极变为低电平。结果，V GS变为 3.3V，大于 MOSFET 的阈值电压，这允许 MOSFET 导通。

由于 MOSFET 现在导通，高压总线被 3.3V 器件下拉至逻辑低电平。因此，总线的两侧都处于相同电压电平的逻辑低电平。

3、5V 设备拉低总线

在第三种状态下，5V 器件将高压侧总线拉至逻辑低电平。通过 Drain – Substrate 二极管，低压侧被拉低，直到 V GS达到阈值电压。

MOSFET 现在开始导通，这将通过 5V 器件进一步将低压侧总线拉至逻辑低电压电平。即使在这种情况下，总线的两侧也处于相同电压的逻辑低电平。

因此，如果将这三种状态结合起来，可以得出结论，逻辑电平在两个方向上都发生了偏移。

逻辑电平转换器模块

许多模块制造商正在结合 4 个此类基于 MOSFET 的电平转换电路来开发 4 总线或 4 通道逻辑电平转换器模块。

下图显示了一个此类模块的示意图。

4通道逻辑电平转换器原理图

如果看一下典型的 4 通道电平转换器模块的图像，它由两排 12 个引脚组成。顶行由高压电源和接地引脚（HV 和 GND）和 4 个高压通道（HV1、HV2、HV3 和 HV4）组成。

双向逻辑电平转换器模块

底行由低压电源和接地（LV 和 GND）和 4 个低压通道（LV1、LV2、LV3 和 LV4）组成。我结合了两个这样的模块来制作一个 8 通道逻辑电平转换器。

结论

以上简单介绍了逻辑电平、逻辑电平转换的内容、基于简单分压器的电压电平转换以及非常有用的带原理图和模块的双向逻辑电平转换器。

本文由IC先上网www.mrchip.cn编辑整理，请勿转载。