双向电平转换电路

我们来讨论一款经典的双向电平转换电路，相应电路如下图所示。

该电路的核心是一个N沟道增强型场效应管，其开关特性与NPN三极管相似，以相应的开关电路为例，当输入为低电平“L”时，场效应管VT1处于截止状态，相当于一个处于断开状态的开关，如下图所示：

当输入为高电平“H”时，场效应管VT1处于导通状态，相当于一个处于闭合状态的开关，如下图所示：

对于电平转换应用电路，场效应管的选型参数主要关注栅-源电压（Gate Source Voltage, VGS），其值不能过小，否则场效应管将由于VGS小于栅极阈值电压（GateThreshold Voltage）而无法导通（或阻值较大）。某款场效应管的电气参数如下表所示，这意味着VGS不应该小于1.4V，为了电路工作稳定起见，最好保证不小于2.5V。

当然，VGS也不能过大，否则可能会击穿绝缘层而损坏场效应管。某款场效应管的电气参数如下表所示，这意味着VGS的绝对值不应该大于12V。

我们接下来分析一下双向电平转换电路的基本原理，首先看看从左向右的电平转换原理（3.3V转为5V）。当左侧D0输入高电平“H”时，由于VGS为0，所以VT1是不导通的，右侧D1被电阻R2上拉为高电平（5V），如下图所示。

当左侧D0输入低电平“L”时，由于VGS为3.3V，所以VT1处于导通状态，右侧D1被下拉至与D0相同的低电平，如下图所示：

再来看看从右向左的电平转换原理（5V转为3.3V）。假设左侧D0为高电平，当右侧D1输入高电平“H”时，由于VGS为0，所以VT1是不导通的，左侧D0被电阻R1上拉为高电平（3.3V），如下图所示。

当右侧D1输入高电平“H”时，转换过程需要细分为两个阶段。由于左侧D0初始为高电平“H”，VGS为0，所以VT1是不导通的，但由于场效应管有一个寄生二极管，它会将D0下拉至低电平（比D1高约一个二极管压降，此处暂定为0.7V），所以D0也算是低电平，如下图所示。

紧接着，此时VGS（3.3V-0.7V=2.6V）大于场效应管的栅极阈值电压而使VT1导通，D0的电平又被进一步降低（与D1基本没有差别），如下图所示。

很多读者可能对3.3V转5V没有什么疑问，但对于5V转3.3V却有点不解，为什么要假定D0为高电平“H”呢？ 因为这种电平转换电路通常只能用于收发双方都是开集（Open Collector, OC）或开漏（Open Drain, OD）结构输出的双向信号线，也就是说，收发双方都只有灌电流能力，而没有拉电流能力，就相当于一个与公共地连接的开关，如下图所示。

也就是说，输入高电平“H”都是由电源通过上拉电阻提供的。在开漏或开集结构输出的双向总线中，高电平通常是空闲状态，典型的应用就是I2C总线（有关I2C总线的详情可参考《显示器件应用分析精粹：从芯片架构到驱动程序设计》），如下图所示。

如果收发双方是推挽驱动（Push-Pull）结构方式，有可能会损坏收发芯片，因为会存在从电源到公共地的低阻路径，如下图所示。有关开漏、开集、推挽、灌与拉电流等详情可参考《三极管应用分析精粹：从单管放大到模拟集成电路设计》