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早在ENIAC时代，计算机本质上更像是模拟设备，只使用了很少的数字IC。如今，一台普通的Joe的计算机可以在多种电压下工作，看过CPU的SMPS的人会注意到您的计算机需要±12V，+ 5V和+ 3.3V的电压才能运行。这些电压电平对于计算机非常重要；特定的电压决定信号的状态（高或低）。此高状态被计算机接受为二进制1，低状态为二进制0。根据0和1的条件，计算机会生成数据，代码和指令以提供所需的输出。

现代逻辑电压电平在1.8V至5V之间变化很大。标准逻辑电压为5V，3.3V，1.8V等。但是，使用5V逻辑电平的系统或控制器（例如Arduino）如何与使用3.3V（例如ESP8266）或其他任何不同电压的系统通信？水平？这种情况经常发生在许多设计中，其中使用了多个微控制器或传感器，而这里的解决方案是使用逻辑电平转换器或逻辑电平转换器。在本文中，我们将了解有关逻辑电平转换器的更多信息，还将使用MOSFET构建一个简单的双向逻辑电平转换器电路，该电路将非常适合您的电路设计。

高电平和低电平输入电压

但是，从微处理器或微控制器的角度看，逻辑电压电平值不是固定的。它对此有一定的容忍度。例如，5V逻辑电平微控制器可接受的逻辑高电平（逻辑1）是最小2.0V（最小高电平输入电压）到最大5.1V（最大高电平输入电压）。类似地，对于逻辑低电平（逻辑0），可接受的电压值为0V（最小低电平输入电压）到最大8V（最大低电平输入电压）。

上面的示例适用于5V逻辑电平微控制器，但也提供3.3V和1.8V逻辑电平微控制器。在此类微控制器中，逻辑电平电压范围将变化。您可以从该特定控制器IC的数据表中获取相关信息。使用电压电平转换器时，应注意高电压值和低电压值在这些参数的范围内。

双向逻辑电平转换器

根据不同的应用和技术建设，两种类型的电平转换器是可用的，单向逻辑电平转换器和双向逻辑电平转换器。在单向电平转换器中，输入引脚专用于一个电压域，输出引脚专用于另一电压域，但是双向电平转换器则不是这样，它可以在两个方向上转换逻辑信号。对于双向电平转换器，每个电压域不仅具有输入引脚，而且具有输出引脚。例如，如果您向输入端提供5.5V，它将在输出端将其转换为3.3V，类似地，如果您向输出端提供3.3V，则将在输入端将其转换为5V。

在本教程中，我们将构建一个简单的双向电平转换器，并对其进行高到低转换和低到高转换测试。

简单的双向逻辑电平转换器

下图显示了一个简单的双向逻辑转换器电路。

该电路使用n沟道MOSFET将低压逻辑电平转换为高压逻辑电平。也可以使用电阻分压器构建一个简单的逻辑电平转换器，但会引入电压损耗。MOSFET或基于晶体管的逻辑电平转换器专业，可靠且集成安全。

该电路还使用两个附加组件R1和R2。这些是上拉电阻。由于零件数量最少，因此它也是一种经济高效的解决方案。根据上述电路，将构建一个简单的3.3V至5V双向逻辑转换器。

使用MOSFET的5V至3.3V电平转换器

在5V到3.3V双向逻辑电平转换器 电路可以在下面的图像中可以看到-

如您所见，我们必须为电阻器R1和R2提供5V和3.3V的恒定电压。引脚Low_side_Logic_Input和High_Side_Logic_Input可以互换用作输入和输出引脚。

以上电路中使用的组件是

R1-4.7k

R2-4.7k

Q1-BS170（N沟道MOSFET）。

两个电阻均容差1％。具有5％公差的电阻器也可以工作。BS170 MOSFET的引脚排列可以在下图中以漏极，栅极和源极的顺序看到。

电路结构包括两个上拉电阻4.7k。MOSFET的漏极和源极引脚被上拉至所需的电压电平（在本例中为5V和3.3V），以实现从低到高或从高到低的逻辑转换。您还可以为R1和R2使用1k至10k之间的任何值，因为它们仅用作上拉电阻。

为了达到理想的工作状态，在构建电路时需要满足两个条件。第一个条件是，低电平逻辑电压（在这种情况下为3.3V）需要与MOSFET的源极相连，而高电平逻辑电压（在这种情况下为5V）必须与MOSFET的漏极引脚相连。第二个条件是，MOSFET的栅极需要连接到低压电源（在这种情况下为3.3V）。

双向逻辑电平转换器的仿真

通过使用仿真结果可以了解逻辑电平转换器电路的完整工作。从下面的GIF图像中可以看到，在高电平到低电平逻辑转换期间，逻辑输入引脚在5V和0V（接地）之间转换，逻辑输出为3.3V和0V。

类似地，在低电平到高电平的转换期间，逻辑输入介于3.3V和0V之间，将转换为5V和0V的逻辑输出，如下面的GIF图像所示。

逻辑电平转换器电路工作

满足这两个条件后，电路将在三种状态下工作。状态说明如下。

1. 当低端处于逻辑1或高电平（3.3V）时。
2. 当低侧处于逻辑0或低状态（0V）时。
3. 当高侧将状态从1更改为0或将高状态更改为低状态（5V至0V）时

当低侧为高电平时，这意味着MOSFET的源电压为3.3V，由于未实现MOSFET的Vgs阈值点，因此MOSFET不导通。此时，MOSFET的栅极为3.3V，MOSFET的源极也为3.3V。因此，Vgs为0V。MOSFET关闭。低压侧输入的逻辑1或高电平状态通过上拉电阻R2作为5V输出反映在MOSFET的漏极侧。

在这种情况下，如果MOSFET的低压侧从高电平变为低电平，则MOSFET开始导通。源逻辑为0，因此高端也变为0。

上面两个条件中的那些成功地将低压逻辑状态转换为高压逻辑状态。

另一个工作状态是MOSFET的高压侧从高电平变为低电平时的状态。这是漏极基板二极管开始导通的时间。MOSFET的低压侧下拉至低电压电平，直到Vgs超过阈值点为止。低压部分和高压部分的总线在相同的电压电平下均变低。

转换器的切换速度

设计逻辑电平转换器时要考虑的另一个重要参数是过渡速度。由于大多数逻辑转换器将在USART，I2C等通信总线之间使用，因此对于逻辑转换器来说，足够快的切换（转换速度）以与通信线路的波特率匹配非常重要。

过渡速度与MOSFET的开关速度相同。因此，在我们根据BS170数据表的情况下，MOSFET的开启时间和MOSFET的关闭时间如下所示。因此，为您的逻辑电平转换器设计选择合适的MOSFET很重要。

因此，这里的MOSFET需要10nS的导通和10nS的关断，这意味着它在一秒钟内可以导通和关断10,000,000次。假设我们的通信线路以（波特率）每秒115200比特的速度运行，则意味着它在一秒钟内仅关闭和关闭1,15,200。因此，我们也可以很好地将设备用于高波特率通信。

测试您的逻辑转换器

测试电路需要以下组件和工具-

1. 具有两个不同电压输出的电源。
2. 两个万用表。
3. 两个触觉开关。
4. 用于连接的电线很少。

修改原理图以测试电路。

在上面的示意图中，引入了两个附加的触觉开关。另外，还连接了万用表以检查逻辑转换。通过按下SW1，MOSFET的低压侧从高电平变为低电平，并且逻辑电平转换器作为低压到高压逻辑电平转换器工作。

另一方面，通过按下SW2，MOSFET的高侧将其状态从高变为低，并且逻辑电平转换器充当高压到低压逻辑电平转换器。

该电路在面包板上构建并经过测试。

上图显示了MOSFET两侧的逻辑状态。两者均处于逻辑1状态。

完整的工作视频可以在下面的视频中看到。

逻辑电平转换器的局限性

该电路当然有一些限制。这些限制在很大程度上取决于MOSFET的选择。此电路可使用的最大电压和漏极电流取决于MOSFET的规格。另外，最小逻辑电压为1.8V。由于MOSFET的Vgs限制，低于1.8V的逻辑电压将无法正常工作。对于低于1.8V的电压，可以使用专用逻辑电平转换器。

重要性和应用

如引言部分所述，数字电子设备中不兼容的电压电平是接口和数据传输的问题。因此，需要电平转换器或电平转换器来克服电路中与电压电平有关的误差。

由于电子市场以及各种电压电平微控制器中都有广泛的逻辑电平电路可用，因此逻辑电平转换器具有令人难以置信的用例。一些基于I2C，UART或音频编解码器的外围设备和传统设备需要电平转换器才能与微控制器进行通信。

流行的逻辑电平转换器IC

有很多制造商提供用于逻辑级别转换的集成解决方案。最受欢迎的IC之一是MAX232。它是最常见的逻辑电平转换器IC之一，可将微控制器逻辑电压从5V转换为12V。RS232端口用于与微控制器在计算机之间进行通信，并且需要+/- 12V。我们已经将MAX232与PIC和其他少数微控制器一起使用，以将微控制器与计算机连接。

根据非常低的电压电平转换，转换速度，空间，成本等，也存在不同的要求。

SN74AX还是德州仪器（TI）最受欢迎的双向电压电平转换器系列。该细分市场中有很多IC，它们提供了从单比特到4位的电源总线转换以及其他功能。

另一种流行的双向逻辑电平转换器IC是MAX3394E从美信集成。它使用与MOSFET相同的转换拓扑。引脚图如下图所示。转换器支持单独的使能引脚，可以使用微控制器来控制这是一项附加功能。

上面的内部结构显示了相同的MOSFET拓扑，但具有P沟道配置。它具有许多额外的功能，例如I / O和VCC线路上的15kV ESD保护。下图显示了典型示意图。

上面的示意图显示了将1.8V逻辑电平转换为3.3V逻辑电平，反之亦然的电路。可以是任何微控制器单元的系统控制器也在控制EN引脚。

因此，这都是关于双向逻辑电平转换电路的工作。