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实用的双向mos管電平轉換電路-三極管電平轉換及驅動電路分析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-03-20 

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mos管電平轉換電路

電平介紹

在了解mos管電平轉換電路之前,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。


電平與電壓的關系

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,電平量程的擴大可以通過相應的交流電壓表量程的擴大來實現,其測量值應爲表頭指針示數再加一個附加分貝值(或量程分貝值)。附加分貝值的大小由電壓量程的擴大倍數來決定。


实用的双向mos管電平轉換電路

双向mos管電平轉換電路,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管電平轉換電路图

mos管電平轉換電路

3.3-5V轉換


上圖中,S1,S2爲兩個信號端,VCC_S1和VCC_S2爲這兩個信號的高電平電壓.


双向mos管電平轉換電路图限制条件

1.VCC_S1<=VCC_S2


2.S1的低電平門限大于0.7V左右(視NMOS內的二極管壓降而定)


3.Vgs<=VCC_S1


4.Vds<=VCC_S2


對于3.3V和5V/12V等電路的相互轉換,NMOS管選擇AP2306即可。原理比較簡單,大家自行分析吧!此電路我已在多處應用,效果很好。


mos管電平轉換電路


双向mos管電平轉換電路-电平转换器的操作

在電平轉換器的操作中要考慮下面的三種狀態:


(一)沒有器件下拉總線線路

“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溝道-雙向MOS管電平轉換電路

mos管電平轉換電路

MOS-N 場效應管 双向电平转换电路


雙向傳輸原理

双向mos管電平轉換電路的原理如下:

爲了方便講述,定義3.3V爲A端,5.0V爲B端。

A端輸出低電平時(0V),MOS管導通,B端輸出是低電平(0V)

A端輸出高電平時(3.3V),MOS管截至,B端輸出是高電平(5V)

A端输出高阻时(OC) ,MOS管截至,B端输出是高电平(5V)

B端輸出低電平時(0V),MOS管內的二極管導通,從而使MOS管導通,A端輸出是低電平(0V)

B端輸出高電平時(5V),MOS管截至,A端輸出是高電平(3.3V)

B端输出高阻时(OC) ,MOS管截至,A端输出是高电平(3.3V)


三極管電平轉換及驅動電路分析

3.3V-5V電平轉換電路

mos管電平轉換電路


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。

現在來分析下各個電阻的作用(抓住的核心思路是三極管的Vbe導通時爲恒定值0.7V左右):


假設沒有R87,則當US_CH0的高電平直接加在三極管的BE上,>0.7V的電壓要到哪裏去呢?

假設沒有R91,當US_CH0電平狀態不確定時,默認是要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,如果無R91,則只要輸入>0.7V就導通三極管,門檻電壓太低了,R91有提升門檻電壓的作用(可參見第二小節關于蜂鳴器的分析)。

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時才能使US_CH0爲高電平時導通,上圖的Vb=1.36V


假設沒有R83,當輸入US_CH0爲高電平(三極管導通時),D5V0(5V高電平)直接加在三極管的CE級,而三極管的CE,三極管很容易就損壞了。


再進一步分析其工作機理:

當輸入爲高電平,三極管導通,輸出鉗制在三極管的Vce,對電路測試結果僅0.1V

當輸入爲低電平,三極管不導通,輸出相當于對下一級電路的輸入使用10K電阻進行上拉,實際測試結果爲5.0V(空載)

注意:對于大電流的負載,上面電路的特性將表現的不那麽好,因此這裏一直強調——該電路僅適用于10幾mA到幾十mA的負載的電平轉換。


蜂鳴器驅動電路


上面是從周立功的iMX283開發板上載下的電路,既可以是有源也可以是無源蜂鳴器。來分析下:


計算下各處的電流(S9013的β=120,設蜂鳴器電流15mA):

mos管電平轉換電路


輸入爲高電平的門檻電壓計算爲:

mos管電平轉換電路


R1起到了提供啊門檻電壓的作用。


有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅動電路區別主要在于無源蜂鳴器本質上是一個感性元件,其電流不能瞬變,因此必須有一個續流二極管D1提供續流。否則,在蜂鳴器兩端會有反向感應電動勢,産生幾十伏的尖峰電壓,可能損壞驅動三極管,並幹擾整個電路系統的其它部分。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。


設計這種電路的基本路子是:確定負載(蜂鳴器10mA~80mA)電流和輸入門檻電壓。依據1中的方法計算獲得R1與R2的值。


ULN2x03驅動電路

mos管電平轉換電路

針對上面的驅動電路:


1.負載接的是紅外二極管,其串聯電阻是限流電阻,控制紅外發射強度


2.輸入連接到STM32的PWM功能普通IO口(設置推挽輸出),COM口接輸出電壓5V


mos管電平轉換電路


針對上面的電路測試(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換,那這是爲什麽呢?ULN2803/2003與三極管又有什麽關系——其內部實現就是兩個三極管。


mos管電平轉換電路


結構的3個特點

1.輸出集電極開漏,因此可以自己接上拉電阻,將信號上拉到相應的電平,ULN2803手冊上說明能承受的最大電壓爲50V


2.數據手冊上說明在Ic=250mA時的輸入門檻電壓爲VI(on)=2.7V


3.COM端接有一個反向二極管:接到輸出電源,用于驅動電機等負載電感器件時能在上下電時提供電流回路保護電路;輸出電壓高于COM端電壓,則電壓會鉗制在VCOM+0.4V左右(這裏的二極管壓降較小)。ULN2003與ULN2803的區別僅在于ULN2003只有8個通道,而ULN2803有9個通道。


相對于前面的自己搭建的三極管電路,其具有更好的電流驅動特性,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動,而ULN2803及ULN2003適用于更大電流的驅動(Datasheet上說最大驅動電流能達到500mA左右)。因此常用ULN2803及ULN2003(還有其它的如75452、MC1413、L293D)提高系統的帶負載能力(電機、大型LED、繼電器等)。


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