前段時間在設(shè)計NB-IOT模塊與STM32的硬件通訊時用到了電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)主控芯片引腳電平與外部連接器件電平不匹配的時候就需要用電平轉(zhuǎn)換電路來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這幾乎是每一個電子工程師都會遇到的一個問題。今天我就總結(jié)一下幾種常用的電平轉(zhuǎn)換方案，希望對大家有所幫助。

1.使用電平轉(zhuǎn)換芯片

這可能是所有方案里面最穩(wěn)定可靠省事的了，給轉(zhuǎn)換芯片兩側(cè)供需要轉(zhuǎn)換的兩個電源，然后在芯片的輸入輸出接上需要轉(zhuǎn)換的輸入輸出信號就OK了，所有轉(zhuǎn)換部分都由芯片內(nèi)部完成。下圖為德州儀器的TXB0108雙向電平轉(zhuǎn)換器。

TXB0108

這種方案的優(yōu)點很多，上面的這款轉(zhuǎn)換器在VccA供電電壓2.5V以上的時候最高可以達(dá)到100Mbps，速度非常快。除此之外還有驅(qū)動能力強、使用簡單等優(yōu)點。當(dāng)然缺點也是有的，最主要就是價格上毫無優(yōu)勢，在需要控制成本的項目上就很難使用了。

2.三極管或MOS管轉(zhuǎn)換電平

這是一種比較常用的方案，我所使用的NB-IOT模塊的datasheet上面就有推薦這種方案。如下圖所示，當(dāng)TXD端為高電平時，NPN三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，RXD端被上拉到其電源電壓；當(dāng)TXD端為低電平時NPN三極管導(dǎo)通，RXD端被拉低到低電平，完成電平轉(zhuǎn)換。三極管也可以使用MOS管替換。

這種方案最大的優(yōu)點莫過于成本低廉，比第一種方案不知便宜了多少倍；再一個就是布局簡單，可以根據(jù)電路板的尺寸進(jìn)行合理布局。這種方案的缺點也是很明顯，就是速度有限制，上面提到的datasheet里面給出的數(shù)據(jù)是不適合波特率超過460800bps的應(yīng)用。

3.使用電阻分壓轉(zhuǎn)換電平

這種方案應(yīng)該是最便宜的一種了，只使用了電阻這一種器件，如下圖所示。我們分析一下這個電路，當(dāng)3.3V電平模塊向右側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)的時候只通過限流電阻，到達(dá)右側(cè)時的電平在客戶端的接收范圍內(nèi)。當(dāng)5V電平客戶端向左側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)時通過兩個電阻分壓，左側(cè)接收端電壓5V*2K/(1K+2K)≈3.3V。

這種方案的優(yōu)點不言而喻就是成本極低，只需三個小電阻，同時方便布局，在PCB板上也不占用空間。當(dāng)然缺點也是大大的，為了降低功耗那么分壓部分的電阻值不能選擇太小，這就導(dǎo)致了驅(qū)動能力不強同時速度上也不能太快，因為有寄生電容的影響。再一個就是完全沒有隔離會有電流串?dāng)_，左右相互影響。

4.二極管鉗位法轉(zhuǎn)換電平

二極管鉗位法來轉(zhuǎn)換電平也是一個很常用的方案，具體電路如下圖所示。我們來分析一下這個電路。當(dāng)左側(cè)TXD低電平的時候，由于D2的鉗位作用，使得右側(cè)RXD會得到一個等于二極管Vd的低電壓；當(dāng)左側(cè)TXD發(fā)出高電平的時候。由于D1的鉗位作用，右側(cè)RXD會得到一個3.3V+二極管Vd的高電平。下面一組就更好理解了，當(dāng)右側(cè)TXD發(fā)出5V高電平的時候，左側(cè)RXD接收到3.3V+Vd的電平，選擇一款低壓降的肖特基二極管就可以使接收到的電平更接近3.3V。

這種方案的優(yōu)點是成本低廉，好實現(xiàn)，還有就是漏電流很小。缺點通過我們上述的分析大家應(yīng)該已經(jīng)知道了，那就是電平存在誤差，這個誤差就是二極管的正向壓降，存在超出芯片正常工作電平的危險；再一個就是速度，因為有上面那個限流電阻的存在是會影響速度的，所以速度只能在100K以內(nèi)。

5.MOS管與二極管結(jié)合轉(zhuǎn)換電平

這個方案是我經(jīng)過測試最終選定并使用在項目中的。如下圖所示。我們分析一下，當(dāng)左側(cè)TX低電平的時候，右側(cè)RXD為1N5819的正向壓降0.3V；當(dāng)左側(cè)TX高電平3.3V時，右側(cè)RXD被拉高到1.8V。當(dāng)右側(cè)TXD低電平的時候，NMOS管導(dǎo)通，左側(cè)RX被拉到到低電平；當(dāng)右側(cè)TXD高電平的時候NMOS管截止。左側(cè)RX被拉到3.3V。

這種方案其實與第二種方案非常類似，所以優(yōu)缺點也就差不多了，優(yōu)點就是成本低廉、驅(qū)動能力強。缺點就是速度也不能太快，我在項目中的波特率使用到115200bps工作很穩(wěn)定，再往上就沒有試過了。

總結(jié)

我們總結(jié)一下在選擇電平轉(zhuǎn)換電路時需要注意的幾個點：最重要的就是電平匹配，經(jīng)過轉(zhuǎn)換的電平需要在受方的接受范圍內(nèi)；再一個就是轉(zhuǎn)換后的驅(qū)動能力；還有很重要一點就是速度，如果在要求速度的場合，轉(zhuǎn)換完波形已經(jīng)失真，就會導(dǎo)致無法工作；最后就是成本，這個也很關(guān)鍵。