電平介紹
在了解mos管電平轉(zhuǎn)換電路之前，我們來了解一下電平的一些基本知識(shí)。所謂電平，是指兩功率或電壓之比的對(duì)數(shù)，有時(shí)也可用來表示兩電流之比的對(duì)數(shù)。電平的單位分貝用dB表示。常用的電平有功率電平和電壓電平兩類，它們各自又可分為絕對(duì)電平和相對(duì)電平兩種。
電平與電壓的關(guān)系
從電壓電平的定義就可以看出電平與電壓之間的關(guān)系，電平的測量實(shí)際上也是電壓的測量，只是刻度不同而已，任何電壓表都可以成為一個(gè)測量電壓電平的電平表，只要表盤按電平刻度標(biāo)志即可，在此要注意的是電平刻度是以1 mW功率消耗于600 Ω電阻為零分貝進(jìn)行計(jì)算的，即0dB=0.775V。電平量程的擴(kuò)大實(shí)質(zhì)上也是電壓量程的擴(kuò)大，只不過由于電平與電壓之間是對(duì)數(shù)關(guān)系，因而電壓量程擴(kuò)大N倍時(shí)，由電平定義可知，即電平增加20lgN(dB)。
由此可知，電平量程的擴(kuò)大可以通過相應(yīng)的交流電壓表量程的擴(kuò)大來實(shí)現(xiàn)，其測量值應(yīng)為表頭指針示數(shù)再加一個(gè)附加分貝值(或量程分貝值)。附加分貝值的大小由電壓量程的擴(kuò)大倍數(shù)來決定。
實(shí)用的雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)你使用3.3V的單片機(jī)的時(shí)候,電平轉(zhuǎn)換就在所難免了,經(jīng)常會(huì)遇到3.3轉(zhuǎn)5V或者5V轉(zhuǎn)3.3V的情況,這里介紹一個(gè)簡單的電路,他可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電平的相互轉(zhuǎn)換(注意是相互哦,雙向的,不是單向的!)。電路十分簡單,僅由3個(gè)電阻加一個(gè)MOS管構(gòu)成。
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路圖
3.3-5V轉(zhuǎn)換
上圖中,S1，S2為兩個(gè)信號(hào)端,VCC_S1和VCC_S2為這兩個(gè)信號(hào)的高電平電壓.
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路圖限制條件
1.VCC_S1<=VCC_S2
2.S1的低電平門限大于0.7V左右(視NMOS內(nèi)的二極管壓降而定)
3.Vgs<=VCC_S1
4.Vds<=VCC_S2
對(duì)于3.3V和5V/12V等電路的相互轉(zhuǎn)換,NMOS管選擇AP2306即可。原理比較簡單,大家自行分析吧!此電路我已在多處應(yīng)用,效果很好。
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路-電平轉(zhuǎn)換器的操作
在電平轉(zhuǎn)換器的操作中要考慮下面的三種狀態(tài)：
（一）沒有器件下拉總線線路
“低電壓”部分的總線線路通過上拉電阻Rp 上拉至3.3V。 MOS-FET 管的門極和源極都是3.3V， 所以它的VGS 低于閥值電壓，MOS-FET 管不導(dǎo)通。這就允許“高電壓”部分的總線線路通過它的上拉電阻Rp 拉到5V。 此時(shí)兩部分的總線線路都是高電平，只是電壓電平不同。
（二）一個(gè)3.3V 器件下拉總線線路到低電平
MOS-FET 管的源極也變成低電平，而門極是3.3V。 VGS上升高于閥值，MOS-FET 管開始導(dǎo)通。然后“高電壓”部分的總線線路通過導(dǎo)通的MOS-FET管被3.3V 器件下拉到低電平。此時(shí)，兩部分的總線線路都是低電平，而且電壓電平相同。
（三）一個(gè)5V 的器件下拉總線線路到低電平
MOS-FET 管的漏極基底二極管“低電壓”部分被下拉直到VGS 超過閥值，MOS-FET 管開始導(dǎo)通。“低電壓”部分的總線線路通過導(dǎo)通的MOS-FET 管被5V 的器件進(jìn)一步下拉到低電平。此時(shí)，兩部分的總線線路都是低電平，而且電壓電平相同。
這三種狀態(tài)顯示了邏輯電平在總線系統(tǒng)的兩個(gè)方向上傳輸，與驅(qū)動(dòng)的部分無關(guān)。狀態(tài)1 執(zhí)行了電平轉(zhuǎn)換功能。狀態(tài)2 和3 按照I2C 總線規(guī)范的要求在兩部分的總線線路之間實(shí)現(xiàn)“線與”的功能。
除了3.3V VDD1 和5V VDD2 的電源電壓外，還可以是例如：2V VDD1 和10V VDD2。 在正常操作中，VDD2必須等于或高于VDD1( 在開關(guān)電源時(shí)允許VDD2 低于VDD1)。
MOS-N溝道-雙向MOS管電平轉(zhuǎn)換電路
MOS-N 場效應(yīng)管 雙向電平轉(zhuǎn)換電路
雙向傳輸原理
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路的原理如下：
為了方便講述，定義3.3V為A端，5.0V為B端。
A端輸出低電平時(shí)(0V)，MOS管導(dǎo)通，B端輸出是低電平(0V)
A端輸出高電平時(shí)(3.3V)，MOS管截至，B端輸出是高電平(5V)
A端輸出高阻時(shí)(OC) ，MOS管截至，B端輸出是高電平(5V)
B端輸出低電平時(shí)(0V)，MOS管內(nèi)的二極管導(dǎo)通，從而使MOS管導(dǎo)通，A端輸出是低電平(0V)
B端輸出高電平時(shí)(5V)，MOS管截至，A端輸出是高電平(3.3V)
B端輸出高阻時(shí)(OC) ，MOS管截至，A端輸出是高電平(3.3V)
三極管電平轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路分析
3.3V-5V電平轉(zhuǎn)換電路
如上圖，左端接3.3V CMOS電平，可以是STM32、FPGA等的IO口，右端輸出為5V電平，實(shí)現(xiàn)3.3V到5V電平的轉(zhuǎn)換。
現(xiàn)在來分析下各個(gè)電阻的作用(抓住的核心思路是三極管的Vbe導(dǎo)通時(shí)為恒定值0.7V左右)：
假設(shè)沒有R87，則當(dāng)US_CH0的高電平直接加在三極管的BE上，>0.7V的電壓要到哪里去呢?
假設(shè)沒有R91，當(dāng)US_CH0電平狀態(tài)不確定時(shí)，默認(rèn)是要Trig輸出高電平還是低電平呢?因此R91起到固定電平的作用。同時(shí)，如果無R91，則只要輸入>0.7V就導(dǎo)通三極管，門檻電壓太低了，R91有提升門檻電壓的作用(可參見第二小節(jié)關(guān)于蜂鳴器的分析)。
但是，加了R91又要注意了：R91如果太小，基極電壓近似只有Vb>0.7V時(shí)才能使US_CH0為高電平時(shí)導(dǎo)通，上圖的Vb=1.36V
假設(shè)沒有R83，當(dāng)輸入U(xiǎn)S_CH0為高電平(三極管導(dǎo)通時(shí))，D5V0(5V高電平)直接加在三極管的CE級(jí)，而三極管的CE，三極管很容易就損壞了。
再進(jìn)一步分析其工作機(jī)理：
當(dāng)輸入為高電平，三極管導(dǎo)通，輸出鉗制在三極管的Vce，對(duì)電路測試結(jié)果僅0.1V
當(dāng)輸入為低電平，三極管不導(dǎo)通，輸出相當(dāng)于對(duì)下一級(jí)電路的輸入使用10K電阻進(jìn)行上拉，實(shí)際測試結(jié)果為5.0V(空載)
注意：對(duì)于大電流的負(fù)載，上面電路的特性將表現(xiàn)的不那么好，因此這里一直強(qiáng)調(diào)——該電路僅適用于10幾mA到幾十mA的負(fù)載的電平轉(zhuǎn)換。
蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路
上面是從周立功的iMX283開發(fā)板上載下的電路，既可以是有源也可以是無源蜂鳴器。來分析下：
計(jì)算下各處的電流(S9013的β=120，設(shè)蜂鳴器電流15mA)：
輸入為高電平的門檻電壓計(jì)算為：
R1起到了提供啊門檻電壓的作用。
有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路區(qū)別主要在于無源蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管D1提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會(huì)有反向感應(yīng)電動(dòng)勢，產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動(dòng)三極管，并干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的其它部分。而如果電路中工作電壓較大，要使用耐壓值較大的二極管，而如果電路工作頻率高，則要選用高速的二極管。
設(shè)計(jì)這種電路的基本路子是：確定負(fù)載(蜂鳴器10mA~80mA)電流和輸入門檻電壓。依據(jù)1中的方法計(jì)算獲得R1與R2的值。
ULN2x03驅(qū)動(dòng)電路
針對(duì)上面的驅(qū)動(dòng)電路：
1.負(fù)載接的是紅外二極管，其串聯(lián)電阻是限流電阻，控制紅外發(fā)射強(qiáng)度
2.輸入連接到STM32的PWM功能普通IO口(設(shè)置推挽輸出)，COM口接輸出電壓5V
針對(duì)上面的電路測試(Power=5.0V)：
1.輸入3.3V，輸出0.6V
2.輸入0V，輸出5.0V
3.輸入不接，輸出5.0V
所以，ULN2003/2803同樣可以用于電平轉(zhuǎn)換，那這是為什么呢?ULN2803/2003與三極管又有什么關(guān)系——其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就是兩個(gè)三極管。
結(jié)構(gòu)的3個(gè)特點(diǎn)
1.輸出集電極開漏，因此可以自己接上拉電阻，將信號(hào)上拉到相應(yīng)的電平，ULN2803手冊上說明能承受的最大電壓為50V
2.數(shù)據(jù)手冊上說明在Ic=250mA時(shí)的輸入門檻電壓為VI(on)=2.7V
3.COM端接有一個(gè)反向二極管：接到輸出電源，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)等負(fù)載電感器件時(shí)能在上下電時(shí)提供電流回路保護(hù)電路;輸出電壓高于COM端電壓，則電壓會(huì)鉗制在VCOM+0.4V左右(這里的二極管壓降較小)。ULN2003與ULN2803的區(qū)別僅在于ULN2003只有8個(gè)通道，而ULN2803有9個(gè)通道。
相對(duì)于前面的自己搭建的三極管電路，其具有更好的電流驅(qū)動(dòng)特性，因此，前面的自己搭建的三極管電路適用于電平切換及小電流的驅(qū)動(dòng)，而ULN2803及ULN2003適用于更大電流的驅(qū)動(dòng)(Datasheet上說最大驅(qū)動(dòng)電流能達(dá)到500mA左右)。因此常用ULN2803及ULN2003(還有其它的如75452、MC1413、L293D)提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力(電機(jī)、大型LED、繼電器等)。
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