電平轉換在電路設計中非常常見，因為做電路設計很多時候就像在搭積木，這個電路模塊，加上那個電路模塊，拼拼湊湊連起來就是一個電子產品了。而各電路模塊間經常會出現電壓域不一致的情況，所以模塊間的通訊就要使用電平轉換電路了。

上圖是用 MOS 管實現的 I2C 總線電平轉換電路，實現 3.3V 電壓域與 5V 電壓域間的雙向通訊。掛在總線上的有 3.3V 的器件，也有 5V 的器件。

實物對照圖如下。實物的上拉電阻用了 4.7K 歐姆，可以提供更大的電流驅動能力。在滿足電路性能的前提下，我喜歡用阻值更大的電阻，因為功耗更低更省電。

原理分析

簡化來看，留下 I2C 的一根線來分析就可以了，如下圖。

分四種情況：

1、當 SDA1 輸出高電平時：MOS 管 Q1 的 Vgs = 0，MOS 管關閉，SDA2 被電阻 R3 上拉到 5V。

2、當 SDA1 輸出低電平時：MOS 管 Q1 的 Vgs = 3.3V，大于導通電壓，MOS 管導通，SDA2 通過 MOS 管被拉到低電平。

3、當 SDA2 輸出高電平時：MOS 管 Q1 的 Vgs 不變，MOS 維持關閉狀態，SDA1 被電阻 R2 上拉到 3.3V。

4、當 SDA2 輸出低電平時：MOS 管不導通，但是它有體二極管！MOS 管里的體二極管把 SDA1 拉低到低電平，此時 Vgs 約等于 3.3V，MOS 管導通，進一步拉低了 SDA1 的電壓。

注：

低電平指等于或接近 0V。

高電平指等于或接近電源電壓。所以 3.3V 電壓域的器件，其高電平為等于或接近 3.3V；5V 電壓域的器件，其高電平為等于或接近 5V。

具體要求看芯片的數據手冊是怎么說明這個限定范圍的，常見的比如說 0.3 倍的“芯片供電電壓”以下為低電平，0.7 倍的“芯片供電電壓”以上為高電平。也就是說“芯片供電電壓”為 5V 的時候，5 x 0.3 = 1.5V 以下為低電平，5 x 0.7 = 3.5V 以上為高電平。

芯片數據手冊里關于高低電平的閾值范圍說明

注意事項

以上是 3.3V 與 5V 之間的情況，如果換用其他電壓域之間的轉換，如 3.3V、2.5V、1.8V 等電壓值的兩兩之間，需要注意 MOS 管的 Vgs 開啟導通電壓。

給 MOS 管過高的 Vgs 會導致 MOS 管燒壞！給過低的 Vgs 會導致 MOS 管打不開！不同型號的 MOS 管這個參數值還不一樣?。?！

舉例：2N7002 的數據手冊，Vgs 不能超過正負 20V

再來看一下，設計電路時 Vgs 可能設計過小的情況，下圖是 2N7002 的數據手冊：

舉例： 2N7002 的數據手冊，Vgs 的開啟電壓為 1V

實際使用時為保證完全開啟、完全導通，設計上要多預留余量，比如實際電路中 Vgs 起碼給到 1.8V。因為 1.8V 的設計參數接近數據手冊標注的 1V 臨界值，尤其注意用實驗驗證，確保萬無一失。

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