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  • MOS管、三極管-電平轉換電路的詳細介紹
    • 發布時間:2020-11-27 18:01:14
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    MOS管、三極管-電平轉換電路的詳細介紹
    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。
    MOS管、三極管、電平轉換電路
    MOS管、三極管、電平轉換電路
    MOS管、三極管、電平轉換電路
    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。
    MOS管、三極管、電平轉換電路
    圖4  S→D
    MOS管、三極管、電平轉換電路
    圖5  S→D仿真數據
    MOS管、三極管、電平轉換電路
    圖6  D→S
    MOS管、三極管、電平轉換電路
    圖7  D→S仿真數據
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