先說一說這個電路的用途： 當(dāng)兩個MCU在不同的工作電壓下工作 (如MCU1工作電壓5V；MCU2工作電壓3.3V)，那么 MCU1與MCU2之間怎樣進(jìn)行串口通信呢？ 很明顯是不能將對應(yīng)的TX、RX引腳直接相連的，否則可能造成較低工作電壓的MCU燒毀！
圖1的“電平雙向轉(zhuǎn)換電路”就可以實(shí)現(xiàn)不同VDD(芯片工作電壓)的MCU之間進(jìn)行串口通信。
圖1
該電路的核心在于電路中的MOS場效應(yīng)管(2N7002)。它和三極管的功能很相似，可做開關(guān)使用，即可控制電路的通和斷。不過比起三極管，MOS管有挺多優(yōu)勢，后面將會詳細(xì)講起。
圖2是MOS管實(shí)物3D圖和電路圖。簡單的講，要讓它當(dāng)做開關(guān)，只要讓Vgs(導(dǎo)通電壓)達(dá)到一定值，引腳D、S就會導(dǎo)通，Vgs沒有達(dá)到這個值就截止。
圖2
加入MOS管的作用
如何將2N7002應(yīng)用到上面電路中，又起著什么作用呢？ 下面我們來分析一下。
圖3
看圖3，如果沿著a、b兩條線，將電路切斷。那么MCU1的TX引腳被上拉為5V，MCU2的RX引腳也被上拉為3.3V。2N7002的S、D引腳(對應(yīng)圖3中的2、3引腳)截止就相當(dāng)于a、b兩條線，將電路切斷。也就是說，此電路在2N7002截止的時候是可以做到，給兩個MCU引腳輸送對應(yīng)的工作電壓。
1、 分析數(shù)據(jù)傳輸方向MCU1→MCU2 ：
圖4
1）MCU1 TX發(fā)送高電平(5V)，MCU2 RX配置為串口接收引腳，此時2N7002的S、D引腳(對應(yīng)圖4中的2、3引腳)截止，2N7002里面的二極管3→2方向不通。那么MCU2 RX被VCC2上拉為3.3V。
2）MCU1 TX發(fā)送低電平(0V)，此時2N7002的S、D引腳依然截止，但是2N7002里面的二極管2→3方向通，即VCC2、R2、2N7002里的二極管、MCU1 TX組成一個回路。2N7002的2引腳被拉低，此時MCU2 RX為0V。該電路從MCU1到MCU2方向，數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到了電平轉(zhuǎn)換的效果。
2、 分析數(shù)據(jù)傳輸方向MCU2→MCU1 ：
圖5
1）MCU2 TX發(fā)送高電平(3.3V)，此時Vgs(圖5中1、2引腳電壓差)電壓差約等于0，2N7002截止，2N7002里面的二極管3→2方向不通，此時MCU1 RX引腳被VCC1上拉為5V。
2）MCU2 TX發(fā)送低電平(0V)，此時Vgs(圖5中1、2引腳電壓差)電壓差約等于3.3V，2N7002導(dǎo)通，2N7002里面的二極管3→2方向不通，VCC1、R1、2N7002里的二極管、MCU2 TX組成一個回路。2N7002的3引腳被拉低，此時MCU1 RX為0V。
該電路從MCU2到MCU1方向，數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到了電平轉(zhuǎn)換的效果。
到此，該電路就分析完了，這是一個雙向的串口電平轉(zhuǎn)換電路。
MOS管的優(yōu)勢
1、 場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似，圖5(a)所示是N溝道MOS管和NPN型晶體三極管引腳，(b)所示是P溝道MOS管和PNP型晶體三極管引腳對應(yīng)圖。
圖6
2、 場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數(shù)是(跨導(dǎo)gm)當(dāng)柵極電壓改變一伏時能引起漏極電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(shù)(貝塔β)當(dāng)基極電流改變一毫安時能引起集電極電流變化多少。
3、 場效應(yīng)管柵極和其它電極是絕緣的，不產(chǎn)生電流；而三極管工作時基極電流IB決定集電極電流IC。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高得多。
4、 場效應(yīng)管只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電；三極管有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少數(shù)載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。
5、 場效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時，其特性差異很大，b 值將減小很多。
6、 場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中要選用場效應(yīng)管。
7、 場效應(yīng)管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但是場效應(yīng)管制造工藝簡單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應(yīng)用中正逐步地取代普通晶體三極管，目前的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中，已經(jīng)廣泛的采用場效應(yīng)管。
8、輸入阻抗高，驅(qū)動功率小： 由于柵源之間是二氧化硅(SiO2)絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達(dá)100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。
由于輸入阻抗高，對激勵信號不會產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動，所以驅(qū)動功率極小(靈敏度高)。一般的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才能驅(qū)動集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動是需要功率的(Vb×Ib)。
9、開關(guān)速度快： MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運(yùn)用時，可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度(輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動，加快了容性的充放電的時間)。
MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時間在10—100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的提高(目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以輕易的做到100K/S～150K/S,這對于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的)。
10、無二次擊穿： 由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會導(dǎo)致集電極電流上升(正的溫度～電流特性)的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會導(dǎo)致溫度進(jìn)一步的上升，溫度進(jìn)一步的上升，更進(jìn)一步的導(dǎo)致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。
而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步下降，這就形成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)下降最終導(dǎo)致晶體三極管的擊穿，這是一種導(dǎo)致電視機(jī)開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破壞性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。
MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當(dāng)管溫度(或環(huán)境溫度)上升時，溝道電流IDS反而下降。例如；一只IDS=10A的MOS FET開關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)芯片溫度升高為1000C時，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導(dǎo)致溝道電流IDS下降的負(fù)溫度電流特性，使之不會產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。
也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度地降低，近兩年電視機(jī)開關(guān)電源采用MOS管代替過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個極好的證明。
11、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性： 普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通時，幾乎是直通，有一個極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個阻值極小的電阻，但是這個等效的電阻是一個非線性的電阻(電阻上的電壓和流過的電流不能符合歐姆定律)，而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個阻值極小的電阻。
但是這個電阻等效一個線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流符合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個電阻并聯(lián)在一起，就有一個自動電流平衡的作用。所以MOS管在一個管子功率不夠的時候，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不必另外增加平衡措施(非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的)。 |
