MOS管、三極管-電平轉換電路的詳細分析-KIA MOS管

MOS管、三極管-電平轉換電路分析

電平轉換電路在電路設計中會經常用到，市面上也有專用的電平轉換芯片，專用的電平轉換芯片主要是其轉換速度較快，多使用在速度較高的通訊接口，一般對速度要求不高的控制電路，則可使用此文介紹的分立器件搭建的電平轉換電路。

1、NPN三極管

下圖使用NPN三極管搭建的電平轉化電路屬于單向的電平轉換

信號發生器：3.3V，10k，50%，方波

注意事項：

（1）該電路的信號只能單向傳輸，b→c。也可以使用NPN三極管+二極管模擬一個NMOS管來實現雙向傳輸，但 一般不會這樣使用，故此處不做介紹；

（2）輸入輸出為反向，可通過兩個三極管解決反向的問題，但會影響整體電路的延時和轉換速度；

（3）三極管所能達到的開關速度約為幾十khz，下次補上實際的測試數據。

備注：該電路所能達到的轉換速度主要由三極管的導通延時和c極的放電回路所產生的延時、三極管的斷開延時和c極的充電回路所產生的延時產生。三極管一般不存在導通延時，且ce導通時，ce本身就是“非常好”的放電回路，故放電回路也不會存在延時問題，即導通期間幾乎不存在延時。

三極管斷開時會存在延時，一般為us級別，不同型號具體參數也不同，且斷開時，c極需要充電，即R2、Cce的充電回路也會產生延時，此延時一般取3個\tau的延時，故斷開期間的總延時為Toff  + 3R2 * Cce = Toff + 3\tau，對于一般應用而言，斷開期間的總延時需要小于1/3的時間長度。

即Toff + 3\tau ＜ 1/3 * 1/2T，故T ＞ 6（Toff + 3\tau）。故理論上最大的轉換頻率為f ＜1/{6(Toff + 3\tau)}。Toff和Cce可通過三極管規格書查閱，R2為設計參數。

圖3中的T1-T2即為三極管的斷開延時，此仿真數據為383ns。

上述理論頻率是基于兩個前提條件：1、50%占空比；2、斷開期間的總延時需要小于1/3的時間長度。

2、NMOS管

下圖使用NMOS管搭建的電平轉化電路屬于雙向的電平轉換

信號發生器：3.3V，10k，50%，方波（圖5）；5.0V，10k，50%，方波（圖7）

原理分析：

（1）S→D方向

S為低電平時，Vgs導通，故漏極D為低電平；此處需要注意電路是否滿足Vgs的導通電壓

S為高電平時，Vgs截止，故漏極D由于VCC1的上拉而為高電平。

（2）D→S方向

D為低電平時，存在VCC、R2、NMOS的體二極管回路，故源極S為低電平；二極管壓降大小和流過的電流相關

D為高電平時，上述回路不存在，故源極S由于VCC的上拉而為高電平。

注意事項：

（1）VCC1 ＞ VCC - 0.7，否則在D→S傳輸高電平時會出現問題，即Vs = VCC1+ 0.7，此時的Vs < VCC；

（2）需要注意MOS管的Vgs導通電壓，一般涉及到1.8V的電路需要注意器件選型；

（3）MOS管所能達到的開關速度約為100khz左右（需要將R1改為0Ω），下次補上實際的測試數據；

（4）PMOS管只能實現單向的電平轉換，不能雙向。

備注：D→S方向，源極的高電平會出現5.0V的峰值（圖7），因為ds之間存在寄生電容，所以d級電平快速的從0變為5.0V時，存在電荷泵現象（電容兩端的電壓不能突變），導致s級的電壓直接泵到5.0V，但馬上會通過R2、VCC將多余的電壓釋放掉。

若將信號發生器XFG1的上升時間設置為1us（默認為1ps）,則幾乎不存在5.0V峰值，因為此時s級在泵到5.0V的過程中就已經同時通過R2、VCC泄放電壓了。

將R1改為0Ω便解決了電荷泵的峰值問題，且開關速度能大幅提高，達到100k左右，因為此時的R1*Cgs的延時變小了，MOS管開關速度變快了。MOS管是電壓驅動型，R1改為0Ω不會存在什么問題。

圖4  S→D

圖5  S→D仿真數據

圖6  D→S

圖7  D→S仿真數據

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