3.3V與5V系統電平兼容的方法探究

在我們電路設計中，常常會遇到通信電平轉換的問題，在應用電平轉換的措施之前還需要判斷進行電平轉換的必要性。

解決電平轉換問題，最根本的就是要解決邏輯器件接口的電平兼容問題。而電平兼容原則就兩條:Voh>Vih,Vol<Vil。

當然還要考慮抗干擾能力，必須有一定的噪聲容限：|Voh-Vih|>Vn+,|Vol-Vil|>Vn-，其中Vn+和Vn-表示正負噪聲容限。只要掌握這個原則，熟悉各類器件的輸入輸出特性可以很自然地找到合理方案。

如果你是用的是3.3V器件作為輸出，而5V器件作為接收，那么這種低電平輸出不會損壞器件，而且大部分3.3V器件輸出高電平的時候也能夠滿足5V器件的高電平輸入標準，這時候你就不需要電平轉換。唯一需要注意的是如果外部5V器件需要從3.3V設備取電流的話，你需要查閱數據手冊上對于接口拉電流的最大值。有需要的話，增加緩沖器件（如74HC245）。

如果反過來，想要使用5V輸出的器件驅動3.3V的外設的話，你就需要考慮電平轉換器件的必要性了。但有些3.3V的芯片在設計中已經被設計為可容忍5V輸入了。這樣的芯片就可以直接使用5V的主控來直接驅動，最經典的一個例子就是74LVC系列芯片。

CMOS器件對于高低電平的判斷標準并不是一個具體值，而是基于電源電壓的百分比。一般來說CMOS器件的高電平標準應大于0.7倍的電源電壓（也就是說，用5V供電時，高電平的標準將為3.5V），這就會導致3.3V標準下的高電平無法觸發。但是這也不是絕對的，部分器件可以在3.3V電平標準下正常工作，即使標稱的正常工作電壓是5V。對于這種問題，最好還是使用寫明了可以兼容3.3V電平標準的器件。

而TTL器件來說，工作在5V電壓下時其高電平判斷的標準是確定的2V。這也是為什么單向使用TTL器件的時候能夠正常判斷電平高低的原因。

現在我們就介紹幾種常用的通信電平轉換的方案

（1） 晶體管+上拉電阻法

就是一個雙極型三極管或 MOSFET，C/D極接一個上拉電阻到正電源，輸入電平很靈活，輸出電平大致就是正電源電平。

　?。?/span>2） OC/OD 器件+上拉電阻法

　　利用OC或者OD門電路，這樣集電極或者漏極都可以通過一個電阻上拉到一個新的VCC，其基極或者柵極就可以連接另外一個VCC，這樣也就實現了3.3V控制5V的電平信號輸出。注意這里需要選擇好上拉電阻阻值，還要考慮MCUIO的驅動能力。這類電路大部分運用在輸出電路上的電平轉換電路。

　?。?/span>3） 74xHCT系列芯片升壓 （3.3V→5V）

　　凡是輸入與 5V TTL 電平兼容的 5V CMOS 器件都可以用作 3.3V→5V 電平轉換。

　　——這是由于 3.3V CMOS 的電平剛好和5V TTL電平兼容（巧合），而 CMOS 的輸出電平總是接近電源電平的。

廉價的選擇如 74xHCT（HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/。。。） 系列 （那個字母 T 就表示 TTL 兼容）。

（4） 專用電平轉換芯片

　　利用特定的電平轉換芯片，將3.3V和5V進行轉換。例如74LVC4245A，74ALVC164245這兩款芯片用的比較多。它存在5V VCCA和3.3V VCCB，2個電源管腳，這樣就可以實現5V和3.3V的轉換了，同時DIR控制數據方向，這樣也實現了3.3V到5V,和5V到3.3V的兩個方向轉換。另外74LVC4245A還可以增加MCUIO的電流驅動能力。我在設計中如果需要的話會首選這個芯片。74ALVC164245是16Bit，功能和74LVC4245A差不多。

　?。?/span>5） 電阻分壓法

最簡單的降低電平的方法。5V電平，經1.6k+3.3k電阻分壓，就是3.3V。

?。?/span>6） 限流電阻法

如果嫌上面的兩個電阻太多，有時還可以只串聯一個限流電阻。某些芯片雖然原則上不允許輸入電平超過電源，但只要串聯一個限流電阻，保證輸入保護電流不超過極限（如 74HC 系列為 20mA），仍然是安全的。

最后這里介紹一個簡單的可以實現兩個電平的相互轉換的經典電路。

上圖中,S1，S2為兩個信號端,VCC_S1和VCC_S2為這兩個信號的高電平電壓.另外限制條件為:
     1.VCC_S1<=VCC_S2.

2.S1的低電平門限大于0.7V左右(視NMOS內的二極管壓降而定).
3.Vgs<=VCC_S1.

4.Vds<=VCC_S2

對于3.3V和5V/12V等電路的相互轉換,NMOS管選擇AP2306即可，原理比較簡單。

如下圖MOS-N 場效應管 雙向電平轉換電路 -- 適用于低頻信號電平轉換的簡單應用。

如上圖所示電路，雙向傳輸原理：
為了方便講述，定義 3.3V 為 A 端，5.0V 為 B 端。
A端輸出低電平時（0V），MOS管導通，B端輸出是低電平（0V）

A端輸出高電平時（3.3V），MOS管截至，B端輸出是高電平（5V）

A端輸出高阻時（OC），MOS管截至，B端輸出是高電平（5V）

B端輸出低電平時（0V），MOS管內的二極管導通，從而使MOS管導通，A端輸出是低電平（0V）

B端輸出高電平時（5V），MOS管截至，A端輸出是高電平（3.3V）

B端輸出高阻時（OC），MOS管截至，A端輸出是高電平（3.3V）

優點：

1、適用于低頻信號電平轉換，價格低廉。

2、導通后，壓降比三極管小。

3、正反向雙向導通，相當于機械開關。

4、電壓型驅動，當然也需要一定的驅動電流，而且有的應用也許比三極管大。