電平轉換電路在電路設計中非常常見，屬于硬件工程師必須掌握的電路之一。
為什么需要這個電路？
因為做電路設計，很多時候就像在搭積木。一個電路模塊，加上另一個電路模塊，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存在電壓域不一致的情況，不能簡單直接相連。這時候模塊間的通訊互連就要使用電平轉換電路了。
下圖是用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I2C總線上的有3.3V的器件，也有5V的器件，通過這個電路，各器件就可以一起愉快地玩耍聊天啦。
電路原理圖的實物對照圖如下：
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，應該用阻值更大的電阻，因為功耗更低更省電。
一、原理分析
簡化來看，留下I2C的一根線來分析就可以了。
分四種情況：
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。
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。
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。
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。
下圖為芯片數據手冊里的截圖：
▲ 某一個芯片數據手冊里關于高低電平的閾值范圍說明
二、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：其中一個廠家生產的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：其中一個廠家生產的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。
注意要留足余量，不要搞到“無路可退”啊！
三、總結
3.3V跟5V互轉的電路已經是一個經典電路，實在是硬件工程師居家旅行、護院看家，必備良藥！
MOS管型號就記住用2N7002！
這個型號便宜，性能久經考驗，不像有些MOS管外型看起來跟2N7002一樣，但實際是大功率的，有部分性能規格浪費了，有部分性能規格又不一定能滿足需要，主要是還賊貴，具體其他MOS是怎樣的這里就不細究啦。
關于電路的學習，希望大家，enjoy!
點擊留言或查看留言
往期好文閱讀
MOS管防電源反接電路
巧用1個GPIO控制2個LED顯示4種狀態
5V過壓保護電路
用音樂芯片UM66搭建簡易音樂播放器
555定時呼叫器電路
LED燈泡：超低成本的LED恒流驅動電路
最簡單的斷線斷點檢測器電路
軟件配合實現的“一鍵開關機電路”
