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实用的双向mos管电平转换电路-三极管电平转换及驱动电路分析-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-03-20 

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mos管电平转换电路

电平介绍

在了解mos管电平转换电路之前,我们来了解一下电平的一些基本知识。所谓电平,是指两功率或电压之比的对数,有时也可用来表示两电流之比的对数。电平的单位分贝用dB表示。常用的电平有功率电平和电压电平两类,它们各自又可分为绝对电平和相对电平两种。


电平与电压的关系

从电压电平的定义就可以看出电平与电压之间的关系,电平的测量实际上也是电压的测量,只是刻度不同而已,任何电压表都可以成为一个测量电压电平的电平表,只要表盘按电平刻度标志即可,在此要注意的是电平刻度是以1 mW功率消耗于600 Ω电阻为零分贝进行计算的,即0dB=0.775V。电平量程的扩大实质上也是电压量程的扩大,只不过由于电平与电压之间是对数关系,因而电压量程扩大N倍时,由电平定义可知,即电平增加20lgN(dB)。


由此可知,电平量程的扩大可以通过相应的交流电压表量程的扩大来实现,其测量值应为表头指针示数再加一个附加分贝值(或量程分贝值)。附加分贝值的大小由电压量程的扩大倍数来决定。


实用的双向mos管电平转换电路

双向mos管电平转换电路,当你使用3.3V的单片机的时候,电平转换就在所难免了,经常会遇到3.3转5V或者5V转3.3V的情况,这里介绍一个简单的电路,他可以实现两个电平的相互转换(注意是相互哦,双向的,不是单向的!)。电路十分简单,仅由3个电阻加一个MOS管构成。


双向mos管电平转换电路图

mos管电平转换电路

3.3-5V转换


上图中,S1,S2为两个信号端,VCC_S1和VCC_S2为这两个信号的高电平电压.


双向mos管电平转换电路图限制条件

1.VCC_S1<=VCC_S2


2.S1的低电平门限大于0.7V左右(视NMOS内的二极管压降而定)


3.Vgs<=VCC_S1


4.Vds<=VCC_S2


对于3.3V和5V/12V等电路的相互转换,NMOS管选择AP2306即可。原理比较简单,大家自行分析吧!此电路我已在多处应用,效果很好。


mos管电平转换电路


双向mos管电平转换电路-电平转换器的操作

在电平转换器的操作中要考虑下面的三种状态:


(一)没有器件下拉总线线路

“低电压”部分的总线线路通过上拉电阻Rp 上拉至3.3V。 MOS-FET 管的门极和源极都是3.3V, 所以它的VGS 低于阀值电压,MOS-FET 管不导通。这就允许“高电压”部分的总线线路通过它的上拉电阻Rp 拉到5V。 此时两部分的总线线路都是高电平,只是电压电平不同。


(二)一个3.3V 器件下拉总线线路到低电平

MOS-FET 管的源极也变成低电平,而门极是3.3V。 VGS上升高于阀值,MOS-FET 管开始导通。然后“高电压”部分的总线线路通过导通的MOS-FET管被3.3V 器件下拉到低电平。此时,两部分的总线线路都是低电平,而且电压电平相同。


(三)一个5V 的器件下拉总线线路到低电平

MOS-FET 管的漏极基底二极管“低电压”部分被下拉直到VGS 超过阀值,MOS-FET 管开始导通。“低电压”部分的总线线路通过导通的MOS-FET 管被5V 的器件进一步下拉到低电平。此时,两部分的总线线路都是低电平,而且电压电平相同。

这三种状态显示了逻辑电平在总线系统的两个方向上传输,与驱动的部分无关。状态1 执行了电平转换功能。状态2 和3 按照I2C 总线规范的要求在两部分的总线线路之间实现“线与”的功能。


除了3.3V VDD1 和5V VDD2 的电源电压外,还可以是例如:2V VDD1 和10V VDD2。 在正常操作中,VDD2必须等于或高于VDD1( 在开关电源时允许VDD2 低于VDD1)。


MOS-N沟道-双向MOS管电平转换电路

mos管电平转换电路

MOS-N 场效应管 双向电平转换电路


双向传输原理

双向mos管电平转换电路的原理如下:

为了方便讲述,定义3.3V为A端,5.0V为B端。

A端输出低电平时(0V),MOS管导通,B端输出是低电平(0V)

A端输出高电平时(3.3V),MOS管截至,B端输出是高电平(5V)

A端输出高阻时(OC) ,MOS管截至,B端输出是高电平(5V)

B端输出低电平时(0V),MOS管内的二极管导通,从而使MOS管导通,A端输出是低电平(0V)

B端输出高电平时(5V),MOS管截至,A端输出是高电平(3.3V)

B端输出高阻时(OC) ,MOS管截至,A端输出是高电平(3.3V)


三极管电平转换及驱动电路分析

3.3V-5V电平转换电路

mos管电平转换电路


如上图,左端接3.3V CMOS电平,可以是STM32、FPGA等的IO口,右端输出为5V电平,实现3.3V到5V电平的转换。

现在来分析下各个电阻的作用(抓住的核心思路是三极管的Vbe导通时为恒定值0.7V左右):


假设没有R87,则当US_CH0的高电平直接加在三极管的BE上,>0.7V的电压要到哪里去呢?

假设没有R91,当US_CH0电平状态不确定时,默认是要Trig输出高电平还是低电平呢?因此R91起到固定电平的作用。同时,如果无R91,则只要输入>0.7V就导通三极管,门槛电压太低了,R91有提升门槛电压的作用(可参见第二小节关于蜂鸣器的分析)。

但是,加了R91又要注意了:R91如果太小,基极电压近似只有Vb>0.7V时才能使US_CH0为高电平时导通,上图的Vb=1.36V


假设没有R83,当输入US_CH0为高电平(三极管导通时),D5V0(5V高电平)直接加在三极管的CE级,而三极管的CE,三极管很容易就损坏了。


再进一步分析其工作机理:

当输入为高电平,三极管导通,输出钳制在三极管的Vce,对电路测试结果仅0.1V

当输入为低电平,三极管不导通,输出相当于对下一级电路的输入使用10K电阻进行上拉,实际测试结果为5.0V(空载)

注意:对于大电流的负载,上面电路的特性将表现的不那么好,因此这里一直强调——该电路仅适用于10几mA到几十mA的负载的电平转换。


蜂鸣器驱动电路


上面是从周立功的iMX283开发板上载下的电路,既可以是有源也可以是无源蜂鸣器。来分析下:


计算下各处的电流(S9013的β=120,设蜂鸣器电流15mA):

mos管电平转换电路


输入为高电平的门槛电压计算为:

mos管电平转换电路


R1起到了提供啊门槛电压的作用。


有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的驱动电路区别主要在于无源蜂鸣器本质上是一个感性元件,其电流不能瞬变,因此必须有一个续流二极管D1提供续流。否则,在蜂鸣器两端会有反向感应电动势,产生几十伏的尖峰电压,可能损坏驱动三极管,并干扰整个电路系统的其它部分。而如果电路中工作电压较大,要使用耐压值较大的二极管,而如果电路工作频率高,则要选用高速的二极管。


设计这种电路的基本路子是:确定负载(蜂鸣器10mA~80mA)电流和输入门槛电压。依据1中的方法计算获得R1与R2的值。


ULN2x03驱动电路

mos管电平转换电路

针对上面的驱动电路:


1.负载接的是红外二极管,其串联电阻是限流电阻,控制红外发射强度


2.输入连接到STM32的PWM功能普通IO口(设置推挽输出),COM口接输出电压5V


mos管电平转换电路


针对上面的电路测试(Power=5.0V):

1.输入3.3V,输出0.6V

2.输入0V,输出5.0V

3.输入不接,输出5.0V

所以,ULN2003/2803同样可以用于电平转换,那这是为什么呢?ULN2803/2003与三极管又有什么关系——其内部实现就是两个三极管。


mos管电平转换电路


结构的3个特点

1.输出集电极开漏,因此可以自己接上拉电阻,将信号上拉到相应的电平,ULN2803手册上说明能承受的最大电压为50V


2.数据手册上说明在Ic=250mA时的输入门槛电压为VI(on)=2.7V


3.COM端接有一个反向二极管:接到输出电源,用于驱动电机等负载电感器件时能在上下电时提供电流回路保护电路;输出电压高于COM端电压,则电压会钳制在VCOM+0.4V左右(这里的二极管压降较小)。ULN2003与ULN2803的区别仅在于ULN2003只有8个通道,而ULN2803有9个通道。


相对于前面的自己搭建的三极管电路,其具有更好的电流驱动特性,因此,前面的自己搭建的三极管电路适用于电平切换及小电流的驱动,而ULN2803及ULN2003适用于更大电流的驱动(Datasheet上说最大驱动电流能达到500mA左右)。因此常用ULN2803及ULN2003(还有其它的如75452、MC1413、L293D)提高系统的带负载能力(电机、大型LED、继电器等)。


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