双向电平转换电路工作原理-KIA MOS管

双向电平转换电路

双向电平转换电路的核心组件是NMOS和上拉电阻。双向电平转换电路通过NMOS的导通与截止实现不同电压域信号的双向传输，利用寄生二极管和上拉电阻完成电平匹配。

NMOS管电平转换电路

原理分析：

1、当S（即TXD_1V8）输出高电平时，MOS管Q4的Vgs=0，MOS管关闭，D（即UART1_RXD）被电阻R42上拉到3.3V；

2、当S（即TXD_1V8）输出低电平时，MOS管Q4的Vgs=1.8V，大于导通电压阈值，MOS管导通，Net2通过MOS管被拉低到低电平；

3、当D（即UART1_RXD）输出高电平时，MOS管Q4的Vgs不变，MOS管维持关闭状态，S（即TXD_1V8）被电阻R37上拉到1.8V；

4、当D（即UART1_RXD）输出低电平时，MOS管Q4不导通，MOS管先经过体二极管把S（即TXD_1V8）拉低到低电平，此时Vgs≈1.8V，MOS管导通，进一步拉低S（即TXD_1V8）的电压。

注意事项：

1、高电压＞低电压–0.7V，否则在D→S传输高电平时会出现问题，即Vs=Vd+0.7，此时的Vs

2、需要注意MOS管的Vgs导通电压，一般涉及到1.8V的电路需要注意器件选型；

3、PMOS管只能实现单向的电平转换，不能双向。

NMOS双向电路特点：

由于双向NMOS电路的电导电阻较大，适用于低频信号电平转换，并且价格低廉。NMOS双向电路设计的制造成本较低，因此价格相对较低。导通后压降比小于三极管。因此在一些需对电压要求高的应用场景中，NMOS电路更适合。正反双向导通，相当于机械开关。双向NMOS电路可以实现相当于机械开关的正反双向电导，因此在一些需要频繁切换的应用场景中，双向NMOS电路也具有优势。

双向电平转换电路工作原理

I2C双向电平转换电路，在I2C主从设备对接时，需要考虑主从设备的电平情况，常规的主要有3种：5V，3.3V，1.8V。如果电平相同，比如都是3.3V，那么可以直接对接。如果电平不同，一个高电平是3.3V ，另外一个是1.8V，那么就需要接入其它的器件来做一下电平转换，通常是接入NMOS管。

工作原理：

当总线上没有数据发送时，两边都没有主动去拉低总线，因此MOS管也不导通，都因为各自的上拉电阻存在，左边为高电平3.3V，右边为高电平5V。

当左边需要发送数据1到右边时，即SDA1/SCL1为高电平3.3V，MOS管的Vgs=0，不导通，右边因为上拉电阻的存在，SDA2/SCL2电平保持为5V。即可看作左边正常将数据1发送到右边。

当左边需要发送数据0到右边时，即SDA1/SCL1为低电平0V，Vgs=3.3V，MOS管导通，右边电压就跟左边电平一样了，SDA2/SCL2为低电平0V。即可看作左边正常将数据0发送到右边。

当右边需要发送数据1到左边时，即SDA2/SCL2为高电平5V，左边SDA1/SCL1因为没有主动拉低总线，所以MOS管不导通，左边保持上拉电平3.3V。即可看作右边将数据1正常发送到左边。

当右边需要发送数据0到左边时 ，即SDA2/SCL2为低电平0V时，因为MOS管体二极管的存在，体二极管导通，MOS管的S极被拉低，Vgs接近3.3V，MOS管导通，进一步导致左边和右边电平一样，为0V。即可看作右边正常将数据0发送到左边。

由上可知，不论I2C的主设备（Master）接在上面电路的左边（低压电源）还是右边（高压电压），都是能够正常通信的。

注意事项：

MOS管的S极要接到低电源那边，不能接反。

MOS管的导通电压需要注意。MOS管导通电压门限（Vgsth里面的最大值）需要小于低电源电压。

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