電平介紹
在了解mos管電平轉(zhuǎn)換電路之前,我們來(lái)了解一下電平的一些基本知識(shí)。所謂電平,是指兩功率或電壓之比的對(duì)數(shù),有時(shí)也可用來(lái)表示兩電流之比的對(duì)數(shù)。電平的單位分貝用dB表示。常用的電平有功率電平和電壓電平兩類,它們各自又可分為絕對(duì)電平和相對(duì)電平兩種。
電平與電壓的關(guān)系
從電壓電平的定義就可以看出電平與電壓之間的關(guān)系,電平的測(cè)量實(shí)際上也是電壓的測(cè)量,只是刻度不同而已,任何電壓表都可以成為一個(gè)測(cè)量電壓電平的電平表,只要表盤按電平刻度標(biāo)志即可,在此要注意的是電平刻度是以1 mW功率消耗于600 Ω電阻為零分貝進(jìn)行計(jì)算的,即0dB=0.775V。電平量程的擴(kuò)大實(shí)質(zhì)上也是電壓量程的擴(kuò)大,只不過(guò)由于電平與電壓之間是對(duì)數(shù)關(guān)系,因而電壓量程擴(kuò)大N倍時(shí),由電平定義可知,即電平增加20lgN(dB)。
由此可知,電平量程的擴(kuò)大可以通過(guò)相應(yīng)的交流電壓表量程的擴(kuò)大來(lái)實(shí)現(xiàn),其測(cè)量值應(yīng)為表頭指針示數(shù)再加一個(gè)附加分貝值(或量程分貝值)。附加分貝值的大小由電壓量程的擴(kuò)大倍數(shù)來(lái)決定。
實(shí)用的雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路,當(dāng)你使用3.3V的單片機(jī)的時(shí)候,電平轉(zhuǎn)換就在所難免了,經(jīng)常會(huì)遇到3.3轉(zhuǎn)5V或者5V轉(zhuǎn)3.3V的情況,這里介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的電路,他可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電平的相互轉(zhuǎn)換(注意是相互哦,雙向的,不是單向的!)。電路十分簡(jiǎn)單,僅由3個(gè)電阻加一個(gè)MOS管構(gòu)成。
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路圖
3.3-5V轉(zhuǎn)換
上圖中,S1,S2為兩個(gè)信號(hào)端,VCC_S1和VCC_S2為這兩個(gè)信號(hào)的高電平電壓.
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路圖限制條件
1.VCC_S1<=VCC_S2
2.S1的低電平門限大于0.7V左右(視NMOS內(nèi)的二極管壓降而定)
3.Vgs<=VCC_S1
4.Vds<=VCC_S2
對(duì)于3.3V和5V/12V等電路的相互轉(zhuǎn)換,NMOS管選擇AP2306即可。原理比較簡(jiǎn)單,大家自行分析吧!此電路我已在多處應(yīng)用,效果很好。
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路-電平轉(zhuǎn)換器的操作
在電平轉(zhuǎn)換器的操作中要考慮下面的三種狀態(tài):
(一)沒(méi)有器件下拉總線線路
“低電壓”部分的總線線路通過(guò)上拉電阻Rp 上拉至3.3V。 MOS-FET 管的門極和源極都是3.3V, 所以它的VGS 低于閥值電壓,MOS-FET 管不導(dǎo)通。這就允許“高電壓”部分的總線線路通過(guò)它的上拉電阻Rp 拉到5V。 此時(shí)兩部分的總線線路都是高電平,只是電壓電平不同。
(二)一個(gè)3.3V 器件下拉總線線路到低電平
MOS-FET 管的源極也變成低電平,而門極是3.3V。 VGS上升高于閥值,MOS-FET 管開(kāi)始導(dǎo)通。然后“高電壓”部分的總線線路通過(guò)導(dǎo)通的MOS-FET管被3.3V 器件下拉到低電平。此時(shí),兩部分的總線線路都是低電平,而且電壓電平相同。
(三)一個(gè)5V 的器件下拉總線線路到低電平
MOS-FET 管的漏極基底二極管“低電壓”部分被下拉直到VGS 超過(guò)閥值,MOS-FET 管開(kāi)始導(dǎo)通。“低電壓”部分的總線線路通過(guò)導(dǎo)通的MOS-FET 管被5V 的器件進(jìn)一步下拉到低電平。此時(shí),兩部分的總線線路都是低電平,而且電壓電平相同。
這三種狀態(tài)顯示了邏輯電平在總線系統(tǒng)的兩個(gè)方向上傳輸,與驅(qū)動(dòng)的部分無(wú)關(guān)。狀態(tài)1 執(zhí)行了電平轉(zhuǎn)換功能。狀態(tài)2 和3 按照I2C 總線規(guī)范的要求在兩部分的總線線路之間實(shí)現(xiàn)“線與”的功能。
除了3.3V VDD1 和5V VDD2 的電源電壓外,還可以是例如:2V VDD1 和10V VDD2。 在正常操作中,VDD2必須等于或高于VDD1( 在開(kāi)關(guān)電源時(shí)允許VDD2 低于VDD1)。
MOS-N溝道-雙向MOS管電平轉(zhuǎn)換電路
MOS-N 場(chǎng)效應(yīng)管 雙向電平轉(zhuǎn)換電路
雙向傳輸原理
雙向mos管電平轉(zhuǎn)換電路的原理如下:
為了方便講述,定義3.3V為A端,5.0V為B端。
A端輸出低電平時(shí)(0V),MOS管導(dǎo)通,B端輸出是低電平(0V)
A端輸出高電平時(shí)(3.3V),MOS管截至,B端輸出是高電平(5V)
A端輸出高阻時(shí)(OC) ,MOS管截至,B端輸出是高電平(5V)
B端輸出低電平時(shí)(0V),MOS管內(nèi)的二極管導(dǎo)通,從而使MOS管導(dǎo)通,A端輸出是低電平(0V)
B端輸出高電平時(shí)(5V),MOS管截至,A端輸出是高電平(3.3V)
B端輸出高阻時(shí)(OC) ,MOS管截至,A端輸出是高電平(3.3V)
三極管電平轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路分析
3.3V-5V電平轉(zhuǎn)換電路
如上圖,左端接3.3V CMOS電平,可以是STM32、FPGA等的IO口,右端輸出為5V電平,實(shí)現(xiàn)3.3V到5V電平的轉(zhuǎn)換。
現(xiàn)在來(lái)分析下各個(gè)電阻的作用(抓住的核心思路是三極管的Vbe導(dǎo)通時(shí)為恒定值0.7V左右):
假設(shè)沒(méi)有R87,則當(dāng)US_CH0的高電平直接加在三極管的BE上,>0.7V的電壓要到哪里去呢?
假設(shè)沒(méi)有R91,當(dāng)US_CH0電平狀態(tài)不確定時(shí),默認(rèn)是要Trig輸出高電平還是低電平呢?因此R91起到固定電平的作用。同時(shí),如果無(wú)R91,則只要輸入>0.7V就導(dǎo)通三極管,門檻電壓太低了,R91有提升門檻電壓的作用(可參見(jiàn)第二小節(jié)關(guān)于蜂鳴器的分析)。
但是,加了R91又要注意了:R91如果太小,基極電壓近似只有Vb>0.7V時(shí)才能使US_CH0為高電平時(shí)導(dǎo)通,上圖的Vb=1.36V
假設(shè)沒(méi)有R83,當(dāng)輸入U(xiǎn)S_CH0為高電平(三極管導(dǎo)通時(shí)),D5V0(5V高電平)直接加在三極管的CE級(jí),而三極管的CE,三極管很容易就損壞了。
再進(jìn)一步分析其工作機(jī)理:
當(dāng)輸入為高電平,三極管導(dǎo)通,輸出鉗制在三極管的Vce,對(duì)電路測(cè)試結(jié)果僅0.1V
當(dāng)輸入為低電平,三極管不導(dǎo)通,輸出相當(dāng)于對(duì)下一級(jí)電路的輸入使用10K電阻進(jìn)行上拉,實(shí)際測(cè)試結(jié)果為5.0V(空載)
注意:對(duì)于大電流的負(fù)載,上面電路的特性將表現(xiàn)的不那么好,因此這里一直強(qiáng)調(diào)——該電路僅適用于10幾mA到幾十mA的負(fù)載的電平轉(zhuǎn)換。
蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路
上面是從周立功的iMX283開(kāi)發(fā)板上載下的電路,既可以是有源也可以是無(wú)源蜂鳴器。來(lái)分析下:
計(jì)算下各處的電流(S9013的β=120,設(shè)蜂鳴器電流15mA):
輸入為高電平的門檻電壓計(jì)算為:
R1起到了提供啊門檻電壓的作用。
有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路區(qū)別主要在于無(wú)源蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件,其電流不能瞬變,因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管D1提供續(xù)流。否則,在蜂鳴器兩端會(huì)有反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓,可能損壞驅(qū)動(dòng)三極管,并干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的其它部分。而如果電路中工作電壓較大,要使用耐壓值較大的二極管,而如果電路工作頻率高,則要選用高速的二極管。
設(shè)計(jì)這種電路的基本路子是:確定負(fù)載(蜂鳴器10mA~80mA)電流和輸入門檻電壓。依據(jù)1中的方法計(jì)算獲得R1與R2的值。
ULN2x03驅(qū)動(dòng)電路
針對(duì)上面的驅(qū)動(dòng)電路:
1.負(fù)載接的是紅外二極管,其串聯(lián)電阻是限流電阻,控制紅外發(fā)射強(qiáng)度
2.輸入連接到STM32的PWM功能普通IO口(設(shè)置推挽輸出),COM口接輸出電壓5V
針對(duì)上面的電路測(cè)試(Power=5.0V):
1.輸入3.3V,輸出0.6V
2.輸入0V,輸出5.0V
3.輸入不接,輸出5.0V
所以,ULN2003/2803同樣可以用于電平轉(zhuǎn)換,那這是為什么呢?ULN2803/2003與三極管又有什么關(guān)系——其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就是兩個(gè)三極管。
結(jié)構(gòu)的3個(gè)特點(diǎn)
1.輸出集電極開(kāi)漏,因此可以自己接上拉電阻,將信號(hào)上拉到相應(yīng)的電平,ULN2803手冊(cè)上說(shuō)明能承受的最大電壓為50V
2.數(shù)據(jù)手冊(cè)上說(shuō)明在Ic=250mA時(shí)的輸入門檻電壓為VI(on)=2.7V
3.COM端接有一個(gè)反向二極管:接到輸出電源,用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)等負(fù)載電感器件時(shí)能在上下電時(shí)提供電流回路保護(hù)電路;輸出電壓高于COM端電壓,則電壓會(huì)鉗制在VCOM+0.4V左右(這里的二極管壓降較小)。ULN2003與ULN2803的區(qū)別僅在于ULN2003只有8個(gè)通道,而ULN2803有9個(gè)通道。
相對(duì)于前面的自己搭建的三極管電路,其具有更好的電流驅(qū)動(dòng)特性,因此,前面的自己搭建的三極管電路適用于電平切換及小電流的驅(qū)動(dòng),而ULN2803及ULN2003適用于更大電流的驅(qū)動(dòng)(Datasheet上說(shuō)最大驅(qū)動(dòng)電流能達(dá)到500mA左右)。因此常用ULN2803及ULN2003(還有其它的如75452、MC1413、L293D)提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力(電機(jī)、大型LED、繼電器等)。
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