MOS管、三極管-電平轉(zhuǎn)換電路的詳細(xì)分析-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2020-11-26
電平轉(zhuǎn)換電路在電路設(shè)計(jì)中會經(jīng)常用到,市面上也有專用的電平轉(zhuǎn)換芯片,專用的電平轉(zhuǎn)換芯片主要是其轉(zhuǎn)換速度較快,多使用在速度較高的通訊接口,一般對速度要求不高的控制電路,則可使用此文介紹的分立器件搭建的電平轉(zhuǎn)換電路。
1、NPN三極管
下圖使用NPN三極管搭建的電平轉(zhuǎn)化電路屬于單向的電平轉(zhuǎn)換
信號發(fā)生器:3.3V,10k,50%,方波
注意事項(xiàng):
(1)該電路的信號只能單向傳輸,b→c。也可以使用NPN三極管+二極管模擬一個(gè)NMOS管來實(shí)現(xiàn)雙向傳輸,但 一般不會這樣使用,故此處不做介紹;
(2)輸入輸出為反向,可通過兩個(gè)三極管解決反向的問題,但會影響整體電路的延時(shí)和轉(zhuǎn)換速度;
(3)三極管所能達(dá)到的開關(guān)速度約為幾十khz,下次補(bǔ)上實(shí)際的測試數(shù)據(jù)。
備注:該電路所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換速度主要由三極管的導(dǎo)通延時(shí)和c極的放電回路所產(chǎn)生的延時(shí)、三極管的斷開延時(shí)和c極的充電回路所產(chǎn)生的延時(shí)產(chǎn)生。三極管一般不存在導(dǎo)通延時(shí),且ce導(dǎo)通時(shí),ce本身就是“非常好”的放電回路,故放電回路也不會存在延時(shí)問題,即導(dǎo)通期間幾乎不存在延時(shí)。
三極管斷開時(shí)會存在延時(shí),一般為us級別,不同型號具體參數(shù)也不同,且斷開時(shí),c極需要充電,即R2、Cce的充電回路也會產(chǎn)生延時(shí),此延時(shí)一般取3個(gè)\tau的延時(shí),故斷開期間的總延時(shí)為Toff + 3R2 * Cce = Toff + 3\tau,對于一般應(yīng)用而言,斷開期間的總延時(shí)需要小于1/3的時(shí)間長度。
即Toff + 3\tau < 1/3 * 1/2T,故T > 6(Toff + 3\tau)。故理論上最大的轉(zhuǎn)換頻率為f <1/{6(Toff + 3\tau)}。Toff和Cce可通過三極管規(guī)格書查閱,R2為設(shè)計(jì)參數(shù)。
圖3中的T1-T2即為三極管的斷開延時(shí),此仿真數(shù)據(jù)為383ns。
上述理論頻率是基于兩個(gè)前提條件:1、50%占空比;2、斷開期間的總延時(shí)需要小于1/3的時(shí)間長度。
2、NMOS管
下圖使用NMOS管搭建的電平轉(zhuǎn)化電路屬于雙向的電平轉(zhuǎn)換
信號發(fā)生器:3.3V,10k,50%,方波(圖5);5.0V,10k,50%,方波(圖7)
原理分析:
(1)S→D方向
S為低電平時(shí),Vgs導(dǎo)通,故漏極D為低電平;此處需要注意電路是否滿足Vgs的導(dǎo)通電壓
S為高電平時(shí),Vgs截止,故漏極D由于VCC1的上拉而為高電平。
(2)D→S方向
D為低電平時(shí),存在VCC、R2、NMOS的體二極管回路,故源極S為低電平;二極管壓降大小和流過的電流相關(guān)
D為高電平時(shí),上述回路不存在,故源極S由于VCC的上拉而為高電平。
注意事項(xiàng):
(1)VCC1 > VCC - 0.7,否則在D→S傳輸高電平時(shí)會出現(xiàn)問題,即Vs = VCC1+ 0.7,此時(shí)的Vs < VCC;
(2)需要注意MOS管的Vgs導(dǎo)通電壓,一般涉及到1.8V的電路需要注意器件選型;
(3)MOS管所能達(dá)到的開關(guān)速度約為100khz左右(需要將R1改為0Ω),下次補(bǔ)上實(shí)際的測試數(shù)據(jù);
(4)PMOS管只能實(shí)現(xiàn)單向的電平轉(zhuǎn)換,不能雙向。
備注:D→S方向,源極的高電平會出現(xiàn)5.0V的峰值(圖7),因?yàn)閐s之間存在寄生電容,所以d級電平快速的從0變?yōu)?.0V時(shí),存在電荷泵現(xiàn)象(電容兩端的電壓不能突變),導(dǎo)致s級的電壓直接泵到5.0V,但馬上會通過R2、VCC將多余的電壓釋放掉。
若將信號發(fā)生器XFG1的上升時(shí)間設(shè)置為1us(默認(rèn)為1ps),則幾乎不存在5.0V峰值,因?yàn)榇藭r(shí)s級在泵到5.0V的過程中就已經(jīng)同時(shí)通過R2、VCC泄放電壓了。
將R1改為0Ω便解決了電荷泵的峰值問題,且開關(guān)速度能大幅提高,達(dá)到100k左右,因?yàn)榇藭r(shí)的R1*Cgs的延時(shí)變小了,MOS管開關(guān)速度變快了。MOS管是電壓驅(qū)動型,R1改為0Ω不會存在什么問題。
圖4 S→D
圖5 S→D仿真數(shù)據(jù)
圖6 D→S
圖7 D→S仿真數(shù)據(jù)
聯(lián)系方式:鄒先生
聯(lián)系電話:0755-83888366-8022
手機(jī):18123972950
QQ:2880195519
聯(lián)系地址:深圳市福田區(qū)車公廟天安數(shù)碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導(dǎo)體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助