N沟道场效应管设计与二极管设计的电平转换器

再数字逻辑电路系统设计中的一个问题就是整合两个不同电压的器件。比如说，有的传感器工作电压为3.3V，但是有的单片机的电压却是5V。直接连接肯定是不行的，低压的元件将可能被损坏。值得一提的是，有一些低压元件支持高电压输入输出（比如W5500以太网接口使用3.3V供电却可以支持最高6V的IO).

解决方案之一就是使用电平转换器。现在市面上是有集成的电平转换芯片与模组的，但是有的时候出于成本、货源、灵活度、体积等考虑还是使用单独的基础元器件自己搭出来转换器更合理一些。

这篇博客将会介绍介绍N沟道场效应管设计与二极管设计的电平转换器的工作原理，提供贴片PCB走线与示波器时序图，并对比相互优缺点。

上图提供了N沟道场效应管（NMOS）设计与二极管设计的4通道电平转换器的电路设计与PCB走线。两种设计都是使用的最为常见（同时也是最低成本的）元件：LL4148贴片二极管与2N7002贴片NMOS，等效的直插元件为1N4007与2N7000。

在这个电路图中，我们使用5V代表系统中的高压侧与3.3V代表低压侧，下文也将使用这两个电压止方便说明。除了3.3V与5V，两种设计都应该在其他电压情况下工作，除非电压超过了元件的耐受电压（对于NMOS，这里指的是门级-漏极电压）。

对于接收端来说，上拉电阻是必要的。对于发送端来说，如果发送端使用的是推挽输出，上拉电阻可省略，但若是漏极开路，则不可省略。

二极管是单向的，只允许电流从高压侧流向低压侧。在如电路图所示的设计中，我们使用二极管来限制电流只能从低压的接收端流向高压的输出端，而不能从高压的输出端流向低压的接收端，从而保护低压侧的元件被高压侧流过来的电流损坏。这里考虑两种情况：

• 当高压侧输出5V，电流将不能流过二极管到低压侧。因此，低压侧的电阻将电压上拉到3.3V。

• 当高压侧输出0V，电流将流过二极管。因此，二极管将低压侧的电压下拉到0V。在这种情况下，上拉电阻将会有一定的漏电电流。

如图，就算是使用贴片元件的单面电路板，这个设计也很方便走线。

当高压侧的电压从0变化为1时，电流将无法通过二极管流向低压侧。电子只能通过上拉电阻流入低压侧。因为上拉电阻的阻值与低压侧的电容原因，其充电过程将会消耗一定时间。这导致了这个设计的上升沿较为缓慢。如时序图所展示，当5V推挽输出通过LL4148二极管驱动时，如果上拉电阻的阻值为47k，那么这个上拉将会消耗约40us的时间。当输出1时，这个电路理论无功耗；当输出0时，这个电路功耗为5 X 0.1mA = 0.5mW。

我们可以通过降低上拉电阻的阻值来加快上拉速度，但是代价就是输出0时更高的功耗。低速系统自然应该一功耗为优先考虑，高速系统则应首先保证响应速度。

因为二极管实际上是有压降的，低压侧将永远无法达到绝对的0V。当高压侧输出0时，低压侧的电压应为二极管的压降电压。对于大部分二极管来说，这个电压约为0.5V（对于大部分电路来说，这个电压应该是没有问题的，不过最好还是确定一下要使用的元器件的低电平电压）。此外，当电流增加，二极管的压降也会增加，因此，为了更低的压降电压应选择更高的上拉电阻阻值。

优点：

• 简单便宜。

• 耐高压（1N4001为50V，1N4007为1kV）。

• PCB走线方便。

缺点：

• 信号只能从高压侧流向低压侧。

• 拉高慢或者耗电。

• 低压侧无法达到绝对0V。

• 低压侧只能接受不得发送。如果在高压侧发送0时低压侧发送1就会短路。/p>

场效应管得工作原理基于电流可以从场中流过以及内置的二极管流过：电流可以在NMOS得门级电压高于导通电压时通过NMOS，或是在内置二极管得导通方向通过。

对于这个设计，因为门极直接与低压侧得供电相连，所以当低压侧得信号为0V时，电流就可以通过这个NMOS。另一方面，因为内置的二极管，电流可以从低压侧流向高压侧。

对于这个设计，我们可以考虑四种情形：

• 高压侧与低压侧都输出1。此时，门级电压为0V，场中将没有电流流通。同时，二极管也不会允许电流流过，因为电压方向与二极管导通方向相反。

• 高压侧与低压侧都输出0。此时，门级电压为3.3V，场允许电流流通（不过两侧都是0V所以不会有实际电流流通）。

• 低压侧输出0。此时，门级电压为3.3V，电流从高压侧流向低压侧，从而拉低高压侧电压至0V。

• 高压侧输出0。此时，电流通过二极管由低压侧流向高压侧，从而拉低低压侧得电压到二极管的压降电压，接近0V。这将导致门级电压高于导通电压，从而打开场。这时，电流也可以通过场了。和基于二极管不同，场几乎没有压降，因此低压段可以被拉低到几乎绝对0V。

如果时推挽输出的话，我们还要考虑两种情况：

• 高压侧写1，低压侧写0：门级电压高于导通电压，电流从高压侧通过场流向低压侧，短路。

• 高压侧写0，低压侧写1：电流从低压侧通过二极管流向高压侧，短路。

NMOS设计的详细说明可以参考Application note AN97055。

在走线时，需要考虑将NMOS与低压侧供电相连。对于单层PCB来说，这有点困难。

如图，基于NMOS得设计有在上拉时有更好的性能。如时序图所展示，当5V推挽输出通过2N7000 NMOS驱动时，如果上拉电阻的阻值为47k，那么这个上拉只消耗了不到1us的时间。与二极管设计不同，NMOS设计支持双向输入输出，所以我们有除了上拉电阻外额外两条电路：

• 高压侧输出从0切换为1但低压侧还在0V：除了上拉电阻外，电流还可以通过场流向低压侧，直到门级电压小于导通电压。

• 高压侧输出从0切换为1但低压侧还在0V：除了上拉电阻外，电流还可以通过二极管流向高压侧，直到高压侧电压高于低压侧电压。

基于NMOS得设计允许两侧电压被对向侧荣国场拉低为0V。

优点：

• 快速上拉。

• 绝对0V。

缺点：

• 在走线时，需要考虑将NMOS与低压侧供电相连。对于单层PCB来说，这有点困难。

• 略高一些得成本。

• 场效应管得耐压低于二极管

• 当一侧输出0但另一侧推挽输出1时会短路。