介绍一种单MOS管的双向电平转换电路

我们经常使用电平转换芯片来转换IO口电压 实现不同电压等级芯片之间电平转换，比如两个处理器使用串口通讯，其中一个处理器的串口为1.8V电平，另外一个为3.3V，两个处理器串口直接相连不太合适(有时候自己玩玩还是可以的)，需要电平转换芯片。这里介绍一种单MOS管的双向电平转换电路，简单易用，用在对速率要求不高的场合。以下为单MOS管电平转换电路，左侧为1.8V电平逻辑，右侧为3.3V电平逻辑，下面详细介绍一下。

1、从高压侧向低压侧转换

1)右侧开关闭合直接接地，模拟输入低电平，当开关闭合后，可以理解为有两个过程出现。

第一个过程，开关闭合后MOS管漏极接地为0V，左侧的1.8V电源电流经过R1和MOS管内的体二极管，最后流入GND，此时MOS管源极电压只有一个二极管的管压降(这里假设为0.6v)，那么MOS管的栅极和源极之间的Vgs = 1.2V。

第二个过程，栅极和源极之间的电压约为1.2V，MOS管开始导通，最终会使源极电压为0V，实现0v输出。

2)右侧开关断开，漏极被电阻拉高，为3.3V，模拟高电平输入。此时Vgs=0V，MOS管截止，源极电压被1.8V电压拉高，实现从3.3V至1.8V电平转换。

2、从低压侧向高压侧转换

左侧低压部分使用一个开关模拟高低电平输入。

1)左侧开关闭合直接接地，模拟输入低电平，此时MOS管的Vgs = 1.8V，MOS管开始导通，拉低漏极电压至0V，实现低电平转换。

2)左侧开关断开，此时Vgs=0V，MOS管截止，漏极电压被3.3V电压拉高，实现从1.8V至3.3V电平转换。

3、小疑惑

开始笔者使用2N7002P这个器件仿真，发现高电平侧输入0V时，低电平侧电平不能到底，0.6V左右，这是什么原因呢?刚开始以为是内部二极管的管压降，其实不是。

带着疑惑，下载了这两款MOS管的手册，如下图MOS管的转移特性曲线，左侧是SI2302DS，右侧是2N7002P，从图中可以看出SI2302DS从1V开始逐渐导通，而2N7002P从2V左右开始导通，2N7002P的导通电压高一些，因此在以上电路中使用2N7002P导通程度比使用SI2302DS要小，2N7002P管导通压降较大，再加上左侧1.8V电压较低，Vgs较小，所以出现低电平不能到底的问题。

其实这个问题好解决：

1、增大VCC1的电压，使Vgs增大，增大MOS导通程度，当然这样就不能用在1.8V和3.3V互转，可以用在3.3V和5.0V互转。

2、增大R4也可以，R4增大后，R4压降就大，源极电压减小。如下图，R4增大为100K的仿真结果，源极电压降为15.3mV，基本就是0了。注意一点左侧一般接入单片机的IO管脚，要注意单片机的IO内部上拉电阻会和R4并联，需要根据实际情况打开或者关闭上拉电阻。