邏輯位準轉換基本知識

概覽

最新的數位裝置設計越小、越快、越有效率。主要的 5 V 邏輯加入更低的電壓標準，如 3.3 V、2.5 V、1.8 V 等，因此需要一個方法讓不匹配系統能可靠且有效率的進行通訊。設計人員需要確保邏輯 1 或邏輯 0 可在這些平台上達到可預期的狀態。

二進位或兩階電壓轉譯／隔離，可達到預期的電路表現。設計人員推論在 5 V 引腳上的 3.3 V 訊號「應該可行」，但並非在所有狀態下都是如此。反過來說，在 3.3 V、5 V 容差引腳上的 5 V 在大多數情況下當然可行，但此方法由於添加額外元件，因此成本較高，且在一些情況下會「用盡」多餘的電壓。

有任何替代品嗎？

主動轉譯／位準轉換元件可解決常見的轉譯問題，甚至於提供其他有用的功能，例如反向、推挽式輸出、三態，或是差動功能。有沒有什麼較不複雜的方式，能達到更寬的邏輯電壓位準和雙向通訊？離散、小型的 MOSFET 可以提供高頻率和高效率的轉譯。I²C 和直接 GPIO 引腳對引腳連接，透過使用這些低成本半導體和幾個額外的被動元件即可進行通訊位準轉換。適當選用 MOSFET 可達到更高的邏輯電壓 (如 12 V 或 18 V)，也可用於監測汽車電路，如範例所示。

註：I²C 在 Hs-Mode (高速) 可能需要更多精細的元件，例如 NXP 的 PCA9306 雙向轉譯器。

範例：BS170 (N 通道增強模式場效電晶體)

BS170 的設計可將導通電阻降至最低，同時提供可靠且快速的切換效能，適用於低電壓、低電流切換式應用。圖 1 顯示執行基本通訊或 GPIO 邏輯位準轉換所需的連接。

圖 1：基本、單匯流排、位準轉譯 MOSFET 電路。

透過上拉電阻，達成 MOSFET 各側的邏輯高位準，至其對應的供應，提供快速模式 (400 kHz) I²C 訊號或其他類似的快速數位介面轉換。MOSFET 的閘極固定至低電壓供應位準。沒有裝置下拉匯流排線路時，MOSFET 源極的匯流排線路由低電壓上拉電阻上拉。MOSFET 的閘極／源極電壓 (VGS) 低於閾值，且 MOSFET 非導通。這能讓 MOSFET 汲極的匯流排線路透過更高電壓上拉電阻進行上拉。MOSFET 各側的匯流排線路固定為高位 (HIGH)，但電壓位準不同。請見圖 2。

圖 2：邏輯高位電壓轉譯。

若低電壓裝置在 MOSFET 的源極下拉匯流排線路，且閘極維持為低電壓供應，VGS 會高於閾值，且 MOSFET 開始導通。MOSFET 的汲極匯流排線路也會下拉。請見圖 3。

圖 3：邏輯低位 (LOW) 電壓轉譯由低電壓裝置啟動。

若高電壓裝置在 MOSFET 的汲極下拉匯流排線路，MOSFET 的基板二極體會讓源極部分下拉，這是由於少量跨二極體兩端的壓降。請見圖 4。

圖 4：接近邏輯低位的電壓轉譯由高電壓裝置啟動。

當 MOSFET 的源極部分下拉，VGS 會上升至高於閾值，且 MOSFET 開始有效率的導通，繞過基板二極體。見圖 5。

圖 5：完整邏輯低位電壓轉譯，由高電壓裝置啟動。

此三態展示在匯流排系統中雙向轉換邏輯位準，不受驅動部分的影響。依據 MOSFET 的能力，可進行不同高、低電壓供應組合。無論邏輯位準衝突是否涉及點對點 GPIO、感測器輸出、雙向多線通訊，MOSFET 位準移位器都是好用的工具。圖 5 展示使用兩個 MOSFET 實作轉譯、雙線、雙向通訊電路。

圖 6：雙線、雙向轉譯資料通訊線路。

隔離

為避免因高電壓裝置在高電壓供應斷電或功率損耗下造成隨機邏輯位準，必須在「汲極對汲極」加入額外 MOSFET，以便隔離高電壓邏輯匯流排線路。

圖 7：在轉譯資料通訊電路中隔離匯流排線路。

開發板

若要深入瞭解更多邏輯位準轉譯，數家製造商生產的開發板已佈設 MOSFET 或邏輯轉譯元件，搭配所需的周邊被動元件，可快速連接並進行實驗。

總結

此簡單且有效的邏輯轉譯方式若要成功，關鍵為選擇適當的 MOSFET 和上拉電阻。典型元件規格書包含實驗所需的資訊。在大多數情況下，範圍為 4.7 Kohm 至 10 Kohm 的上拉電阻在 BS170 都可使用。精細的數位邏輯位準轉換器 IC 也可提供額外功能，例如在 I/O供應電壓輸入提供 15 kV ESD 保護。