圖文分享5種電平轉換方法匯總收藏-KIA MOS管

電平轉換方法

5種電平轉換方法分別是，下午我們會從速率、驅動能力、漏電流、成本、通道數五個維度評價。：

1) 晶體管電平轉換方法；

2) 專用電平轉換芯片；

3) 限流電阻電平轉換方法；

4) 電阻分壓電平轉換方法；

5) 二極管電平轉換方法；

1. 使用晶體管轉換電平

如下圖1，使用2個NPN三極管，將輸入信號電平VL和轉換為輸出電平VH，使用2個三極管的目的是將輸入和輸出信號同相，如果可以接受反相，使用一個三極管也可以。

圖1；晶體管進行電平轉換

優勢：

1) 便宜：三極管容易常見并且容易采購，價格低廉（批量幾分錢一個）。

2) 驅動能力強：驅動能力取決于三極管，可以做到數十mA；

3) 漏電流低：In  和OUT兩者之間的漏電流較小（uA級別），幾乎可以忽略不計。

劣勢：

1) 速度：兩級三極管屬于電流驅動型，加上電路和寄生電容，轉換后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以內的信號轉換。

2) 器件多：同相轉換需要2個三極管以及配套的電阻，多路轉換時占用空間較多。

2. 使用專用電平芯片轉換電平

如下圖2，使用專用的電平轉換芯片，分別給輸入和輸出信號提供不同的電壓，轉換由芯片內部完成，例如MCP2551/3221等電平轉換芯片。專用芯片是最可靠的電平轉換方案，5個優點里面占據了4個，除了成本。

圖2；專用電平轉換芯片

優勢：

1) 驅動能力強：專用芯片的輸出一般都使用了CMOS工藝，輸出驅動10mA不在話下。

2) 漏電流幾乎為0：內部是一些列的放大、比較器，輸入阻抗非常高，一般都達到數百K。漏電流基本都是nA級別的。

3) 路數較多：專用芯片針對不同的應用，從2路到數十路都有，十分適合對面積要求高的場合。

4) 速率高：專用芯片由于集成度較高，工藝較高，，速率從數百K到數百M的頻率都可以做。

劣勢：

1) 成本：專用芯片集眾多優勢于一身，就是成本是最大的劣勢，一個普通的數百K速率的4通道電平轉換芯片，價格至少要1元人民幣，如果使用三極管做，成本2毛錢都不到。

3. 使用電阻分壓轉換電平

如下圖3，R2和R3構成分壓，下圖中Vgprs=3.3*5.6K/（1K+5.6K）=2.8V。GPRS模塊的的TX由于在發送端，2.8V在右邊的接收范圍內，所以不需要分壓，只需要增加一個電阻限流。

圖3；電阻分壓法電平轉換

優勢：

1) 便宜：便宜是最大的優點，2個電阻一分錢不到；

2) 容易實現：電阻采購容易，占用面積小。

劣勢：

1) 速度：分壓法為了降低功耗，使用K級別以上的電阻，加上電路和器件的分布和寄生電容，速率很難上去，一般只能應用于100K以內的頻率。

2) 驅動能力：由于使用了大阻值的電阻，驅動能力被嚴格控制，并不適合需要高驅動能力的場合，例如LED燈等

3) 漏電：漏電是該方案最大的缺點，由于通過電阻直連，左右兩端的電壓會流動，從而互相影響。例如，RS232接口采用該方案，上電瞬間外設就給主芯片提供2.8V的電平，輕則影響時序導致主芯片無法啟動，重則導致主芯片閂鎖效應，燒毀芯片。

4. 使用電阻限流轉換電平

有一些技高人膽大的工程師，有時候還會使用一個電阻限流的辦法，實現兩個不同電平之間的轉換。

具體的現實原理就是利用芯片的輸入電流不超過某個值，例如74HC系列的芯片的輸入電流值不能超過20mA，即可認為是安全的，如果是5V轉3.3V，只要電阻＞（5-3.3V）/20mA=85Ω，選擇一個1K的電阻，則認為是安全的。因為芯片內部是可以等效一個負載電阻RL，與R1構成分壓的關系。

圖4；電阻限流法電平轉換

優勢：

1) 便宜：便宜是最大的優點，只需要一個電阻就解決。

2) 容易實現：電阻采購容易，占用面積小。

劣勢：

1) 使用電阻限流法需要具備很高超的技術（作者自認為無法駕馭），不僅需要十分熟悉芯片內部的構成，而且還要考慮限流后的電壓范圍，最關鍵的是，出問題了以后還容易和芯片廠家扯皮，使用這類方案的工程師，膽是大了，技不一定高。

5. 使用二極管鉗位轉換電平

有一些工程師還經常使用二極管鉗位的方法進行電平轉換，如下圖左是3.3V轉5V，當3.3V電平為高時，5V輸出電壓=3.3V+Vd=3.3+0.7≈4V，到達5V的高電平閾值，當3.3V電平輸出為低時，5V電平輸出電壓約=Vd≈0.7V，在低電平閾值范圍內。

如下圖右是5V轉3.3V，輸入是高電平時，3.3Vout=3.3V+Vd≈4V，當5V電平輸入為低電平時，3.3Vout=0V。

圖5：3.3V轉5V（左），5V轉3.3V（右）

優勢：

1) 漏電流小：由于二極管的漏電流非常小（uA級），可以單向防止電源倒灌，防止3.3V倒灌到5V。

2) 容易實現：二極管、電阻采購容易，占用面積小。

劣勢：

1) 電平誤差大：主要是二極管的正向壓降較大，容易超出芯片的工作電壓范圍。

2) 單向防倒灌：只能單向防止倒灌，不能雙向防止倒灌。

3) 速度和驅動能力不理想：由于電阻限流，驅動速度和能力均不理想，只能應用在100K以內的頻率。

4) 所需器件較多。

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