飛凌乾貨丨幾種常見的電平轉換電路分析及應用

在電路設計過程中，輸入輸出信號電平不匹配問題很常見，這時就需要設計人員對信號進行電平轉換。常見的電平轉換電路有以下幾種：

1、由二極體構成的單向電平轉換電路

圖1中RX為3.3V TTL電平與485驅動器的5V電平轉換。當驅動器輸出為5V信號時，二極體不通，RX通過上拉電阻被拉到CPU可接受的3.3V電平；當驅動器輸出為低時，二極體導通，RX通過二極體被拉至低電平，不過此時的低電平為二極體的正嚮導通壓降，這個值一定要在CPU所能識別的低電平範圍之內。由於MAX13487所能識別的高電平的最小閾值為2V，能將3.3V電平識別為高電平，所以對於TX端不需要進行電平轉換也可正常工作。

圖1

注意：此電路僅能應用在輸入信號電平大於輸出信號電平的轉換。考慮通信速率與低電平電壓幅值，二極體選用高速肖特基二極體，並且VF儘量小，如BAT54HT。

2、由三極體構成的單向電平轉換電路

圖2中UART1為CPU的調試串口的TTL電平為1.8V，232驅動器的TTL電平為3.3V，由於MAX3232所能識別的高電平的最小閾值為2V，所以需要將CPU的1.8V TTL電平進行轉換。

CPU的TX端通過NPN三極體進行電平轉換後進入MAX3232的TIN，當CPU的UART1_TX輸出為高1.8V時，三極體不通，MAX3232的T2IN信號被上拉電阻拉至3.3V；當CPU的UART1_TX輸出為低時，三極體滿足飽和導通條件，MAX3232的T2IN信號被拉低，此時的低電平為三極體的飽和導通壓降值。

圖2

注意：此電路對輸入和輸出電平的高低沒有要求，適用性很好。

若整板無1.8V電平，三極體的基級電壓也可用3.3V分壓獲得。需注意的是，轉換後的輸出低電平為三極體的飽和壓降，對於輸出低電平電壓幅度有較嚴格的要求，NPN管需要選用飽和壓降小些的管子。

3、由MOS管構成的雙向電平轉換電路

圖1和圖2的串口TTL信號均為單向信號，還有很多雙向電平轉換信號如I2C，圖3為常見的I2C雙向電平轉換電路。

當左側電壓為高電平1.8V時，MOS管不導通，右側上拉3.3V高電平；當左側電壓為低電平時，MOS管導通，右側被拉低；當右側電壓為高電平3.3V時，MOS管不通，左側上拉1.8V高電平；當右側電壓為低電平時，右側電壓通過體二極體被拉低。

圖3

注意：此電路選擇時，MOS管的開關速率與開啟電壓是選型時的重要參考參數，低壓部分的電壓必須大於MOS管的閾值才能夠完全打開MOS管，AO3400的Vgs為0.7-1.4V，開關速度為ns級，滿足I2C的通訊速率。

4、集成IC組成的雙向電平轉換電路

某些轉換速度達到幾十MHz級別的信號電平轉換時，需要一些轉換速率較高的集成晶片，如MAC與PHY通訊時所用的MDIO與MDC信號。圖4為應用TI的LSF0102對網絡的MDIO與MDC進行3.3V與1.8V電平轉換。此晶片最高可支持100MHz信號電平轉換，且為雙向轉換。

圖4

另外還有一些單路轉換的驅動晶片，如SN74LVC2T45，通訊速率最高可達到420Mbps。

總結

二、三級管組成的電平轉換電路，優點是價格非常低，缺點是要求使用在信號頻率較低的條件下。高電平通過上拉電阻拉至高電平，上拉電阻越小，速率越高，但是電路的功耗也越高，所以在低功耗要求嚴格的電路中需要慎重考慮。在選擇二、三極體時，儘量選用結電容小、開關速率高的管子。

集成IC組成的電平轉換電路，優點是速率高，通常可以用在幾十MHz信號的電平轉換中。缺點是成本較高，在成本控制嚴格的產品中綜合考慮性能與價格進行選型。