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如何将5V系统的输出接到3.3V系统的输入上呢

描述

本文重点讲解16种方法,统计如下:

直接连接(警告:仅使用 5V 容限输入!!!)

串联电阻器。

串联电阻器具有外部肖特基二极管箝位,朝向3.3V线路。

带上拉电阻的串联二极管。

带有源钳位的串联电阻器。

电阻和齐纳二极管。

电阻分压器。

BJT/MOSFET 作为逆变器。

两个级联双极型晶体管/MOSFET 作为缓冲器。

漏极/集电极开路输出上的上拉电阻。

增加具有漏极/集电极开路输出的 5V 供电逻辑 IC(缓冲器、栅极等)。

增加具有 5V 容限输入的 3.3V 供电逻辑 IC(缓冲器、栅极等)。

系列 MOSFET(通用栅极配置)。

双极型晶体管系列(通用底座配置)。

电平转换器。

光耦合器

1、直接连接(仅限于5V容限输入)

最简单的方法是直接连接。

上拉电阻

优势:

没有额外的成本或空间

最快的解决方案

劣势:

仅适用于 5V 容限器件

2、串联电阻器

将5V连接至3.3V系统的第二种最简单方法是使用串联电阻。

上拉电阻

上图串联电阻器用于将一个 5V 输出连接至一个 3.3V 输入。输入端必须有其保护二极管。 工作原理如下: 3.3V(非5V容限IC)的输入通常由二极管保护:一个朝向VDD,另一个朝向GND,如下图所示。这些二极管通常为关断,因为它们都是反向偏置的。但是,如果尝试输入大于VDD,3.3V的电压,它们会将输入电压箝位为VDD,3.3V(加上正向二极管电压,通常为0.7V)。由于开关器件的电容耦合或振铃,即使在仅3.3V的系统上,也可能发生大于VDD,3.3V的瞬态尖峰。

上拉电阻

当5V信号通过电阻馈送到输入端时,二极管将导通:电阻限制流入引脚的电流,保护输入。进入引脚的最大电流有时会在数据表中注明,并且应保持较低水平,原因有两个:

除了漏电流外,没有电流会流入引脚。由于闩锁现象,可能会发生损坏。

流入输入引脚的电流将从VDD引脚流出!如果这样的电流太大,可能会增加整个系统的VDD电压,破坏IC。如果系统的电流消耗大于流入PIN的电流,那么应该没有问题。否则,建议在VDD,3.3V和GND之间放置一个虚拟负载。负载的值应使其至少吸附流入所有输入的电流。

要计算,只需将输入电流视为I=(5V-3.3V)/RS。然后在VDD,3.3V和GND之间放置一个电阻,使其将吸收相同的电流I。换句话说:RLOAD = RS 3.3V (5V-3.3V) 或约 2 RS。如果有多个输入,则必须相应地降低 RLOAD。如果您的系统已经从3.3V吸收“I”(例如,由于IC电流消耗或存在始终接通的LED),那么您可以省略或增加RLOAD。. 该解决方案还有另一个缺点:除非使用低值电阻,否则它会严重限制带宽。事实上,输入引脚和走线都会有一定的寄生电容.

优势:

简单的解决方案:每个输入引脚只有一个电阻。

劣势:

高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。

输出过载(使用低值电阻器)

进入输入端的电流可能会导致锁存。

如果 3.3V 系统具有非常低的最小电流消耗,则需要在 3.3V 电源上使用一个外部负载电阻器。

3.3V电源上可能由于电流注入而产生噪声。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

3、串联电阻器,带有朝向 3.3V线路的外部肖特基二极管箝位

该电路与以前的解决方案类似,但可以实现更快的速度,因为大部分电流将由肖特基二极管承载,而不是保护二极管。 这仍然有将电流馈送到VDD,3.3V线的缺点。因此,系统必须“消耗”这种电流,如前一种情况所示。

上拉电阻

优势:

可实现更大的带宽。

注入输入引脚的电流可忽略不计。

劣势:

每个输入需要两个元件(电阻和肖特基二极管)。

高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。

输出过载(使用低值电阻器)

如果 3.3V 系统具有非常低的最小电流消耗,则需要在 3.3V 电源上使用一个外部负载电阻器。

3.3V电源上可能由于电流注入而产生噪声。

还必须考虑二极管的电容。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

4、带有源钳位的串联电阻器。

与其将输入电流重定向到VDD,3.3V,不如将其耗散到地,这样就不会发生VDD,3.3V电平变化。

上拉电阻

当输入电压大于3.9V时,PNP BJT将持续传导。该解决方案允许使用更小的电阻(更高的带宽)。 值得注意的是,仍然有电流注入VDD,3.3V,但是,这种电流将比流入RS的电流小很多倍。

另一个问题是,在某些IC上,当输入端的值比3.3V电平低至0.35V时,它们的保护二极管开始导通。在这种情况下,BJT基极不应连接到3.3V,而应连接到稍小的电压(如果系统上可用)。

优势:

可实现更大的带宽。

注入3.3V电源线的电流非常小。

小电流注入输入引脚。

劣势:

每个输入需要两个元件(电阻和双极型晶体管)。

高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。

输出过载(使用低值电阻器)

如果3.3V系统具有极低的最小电流消耗,则仍可能需要在3.3V电源上使用外部负载电阻。

由于电流注入3.3V电源,3.3V电源上仍可能存在噪声。

在某些情况下,可能需要另一个电源(低于3.3V)将电压箝位到输入保护二极管的导通电压以下。

BJT的电容仍然必须考虑在内。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

箝位电压可能过高(约3.9V)。可能需要另一个电压源(小于3.3V)。

5、电阻器和齐纳二极管

我们可以不使用BJT,而是使用齐纳二极管,它将电压削波到Vz值。问题在于,低值齐纳二极管具有相当大的动态电阻,并且必须有大电流流入齐纳二极管,才能实际显示Vz值(几mA)。

上拉电阻

优势:

带宽类似于肖特基或有源箝位解决方案,因为可以使用低值电阻。

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

比BJT或肖特基的成本更低。

箝位电压可以低于BJT。

劣势:

每个输入需要两个元件(电阻和齐纳二极管)。

高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。

输出过载(使用低值电阻器)

还必须考虑二极管的电容。

输出电压并不精确,因为一些低值齐纳二极管的动态电阻非常差。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

6、带上拉电阻的串联二极管。

如果您的3.3V系统接受高达0.7V的低电平输入电压,则可以使用普通的1N4148二极管,如下所示。如果您想要更大的噪声裕量(或者如果只是0.7V太高),请改用肖特基二极管。 工作原理很简单:当5V系统输出5V时,二极管反极化,因此是开路的。3.3V系统的输入通过R1被上拉至3.3V。然后5V系统输出0V,二极管正向偏置,因此3.3V输入端的电压将是二极管的正向压降:硅二极管约为0.6-0.7V,肖特基二极管约为0.35V。切记使用快速信号二极管!(即不要使用1N4007!)

上拉电阻

优势:

带宽类似于肖特基箝位解决方案,因为可以使用低值上拉电阻。

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

劣势:

每个输入需要两个元件(电阻和二极管)。

高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。

输出过载(使用低值电阻器)

还必须考虑二极管的电容。

低电平输出电压是二极管的正向压降。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

7、电阻分压器

降低5V电压的一种简单方法是通过电阻分压器!

上拉电阻

电阻分压器相对于单个电阻表现更好。给定相同的带宽,与已经检查过的其他解决方案相比,它消耗的更少(直接连接除外!)

优势:

相对于其他系统(直接连接除外)而言,在相同消耗(或相同带宽下消耗较小)的带宽更好。

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

成本低于 BJT、肖特基或齐纳。

对称上升/下降时间。

劣势

每个输入需要两个元件(两个电阻)。

高功率使用率(使用低值电阻)或低带宽(高值电阻)。

输出过载(使用低值电阻器)

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

8、双极型晶体管/MOSFET 作为逆变器

如果您可以接收反相信号,则可以使用BJT或MOSFET。

上拉电阻

带宽主要由上拉电阻和寄生电容(必须包括BJT/MOSFET的电容!)决定。

优势:

没有电流注入3.3V电源线。

无输出过载。

没有电流注入输入引脚。

劣势:

每个输入需要两个或三个元件(BJT/MOSFET和一个或两个电阻器)。

高功耗(使用低值上拉电阻)

反转输出!

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

9、两个级联的双极型晶体管/MOSFET作为缓冲器。

您可以级联两个以前的 BJT/MOSFET 电阻器逆变器。这样,输出就不会反转。

上拉电阻

优势:

没有电流注入3.3V电源线。

无输出过载。

没有电流注入输入引脚。

逻辑电平不会反转。

劣势:

需要很多组件!

高功耗(使用低值上拉电阻)

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

与前一种情况相比,带宽较小,因为两级级联。

10、开漏/耦合器输出端上的上拉电阻

仅当输出为集电极/漏极开路时,此方法才有效。

上拉电阻

这与“BJT/MOSFET作为逆变器”非常相似。由于输出是漏极开路,因此必须插入一个上拉电阻。

优势:

需要单个电阻器。

没有电流注入引脚。

没有电流注入3.3V线路。

劣势:

高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

11、逻辑IC(缓冲器、栅极等),具有漏极开路/集电极输出。

您可以连接漏极开路/集电极缓冲器/栅极IC,外加一个上拉电阻,如下所示。缓冲器/栅极由5V供电,因此可接受5V。

上拉电阻

优势:

没有电流注入引脚。

没有电流注入3.3V线路。

劣势:

高功率使用率(使用低值电阻器)或低带宽(高值电阻器)。

该解决方案需要一个缓冲器和一个电阻器。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

12、增加具有 5V 容限输入的 3.3V 供电逻辑 IC(缓冲器、栅极等)

您可以连接一个 5V 容限 IC,供电电压为 3.3V,例如 SN74LV1T34。

上拉电阻

优势:

没有电流注入引脚。

没有电流注入3.3V线路。

低功耗。

快。

高噪声裕量。

劣势:

成本和空间

13、MOSFET 系列(通用栅极配置)

我们可以使用公共栅极配置,而不是在公共源配置中使用MOSFET。MOSFET实际上将是串联的。MOSFET 必须是 2.5V 逻辑电平 MOSFET,否则将无法工作。  

上拉电阻

电路的工作原理如下。 当Vin为5V时,MOSFET将关闭,因为VGS = 0V(被R2束缚)。当Vin为0V时,由于MOSFET的漏体寄生二极管,输出最初将变为0.7V。因此,VGS将变为3.3V-0.7V = 2.6V。由于这是一个2.5V逻辑电平MOSFET,MOSFET将导通,现在有效地充当短路。输出为0V。 正如我们将在“连接3.3V至5V系统”中所示,该电路也可以双向工作,即它将3.3V信号转换为5V信号!

优势:

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

非反相输出。

可以是双向的。

劣势:

每个输入需要两个元件(MOSFET和一个电阻器)。

高功耗(使用低值上拉电阻)

输出过载(使用低值上拉电阻)

还必须考虑MOSFET的电容。

需要一个 2.5V 逻辑电平 MOSFET。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

14、双极型晶体管系列(通用底座配置)

也可以使用BJT,但发射器必须在5V侧(MOSFET的源极是在3.3V侧!

上拉电阻

其工作原理如下:当输入为5V时,VBE=-1.7,因此BJT为OFF。3.3V侧上拉。当VIN为0V时,基极-发射极结将正向极化,BJT将导通,将“0”逻辑电平传输到3.3V侧。

优势:

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

非反相输出。

劣势:

每个输入需要三个元件(BJT和两个电阻)。

高功耗(使用低值上拉电阻)

输出过载(使用低值上拉电阻)

BJT的电容仍然必须考虑在内。

VCE,sat被添加到低值输出中。

3.3V输入必须具有高阻抗(小输入泄漏,如CMOS)。

15、电平转换器

为了实现最快的速度、最低的功耗和更好的信号电平,您可以使用电平转换器 IC,如 74LVC8T245(8 位)或 74LVC1T45(1 位)。然而,它们成本很高,占用空间,并且需要另外两个去耦电容(原理图中未显示)。 通常,电平转换器具有不同数量的输入/输出,它们也可以是双向的(由数据方向控制或自动控制)。

上拉电阻

优势:

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

非反相输出(也有反相转换器)。

无输出过载。

非常高的带宽。

良好的信号水平。

收发器的输出也可以加载。

静态功耗可忽略不计。

劣势:

成本(电平转换器比一对电阻器或MOSFET/二极管贵得多)。

所需的空间(特别是在需要很少输入的情况下)。

16、光耦合器/隔离器

当您需要连接两个单独的系统,或者当您需要在同一电路/系统的两个部分之间进行电气绝缘时,这种技术特别有用,并推荐使用。当处理远高于5V(例如24V)的电压时,它也非常有用。 请注意,这两个系统也可能共享相同的接地,但是,在这种情况下,您将失去它们之间的电气绝缘。

在下面的原理图中,我们展示了一个带有晶体管输出的标准光耦合器。有些光耦合器已经提供了数字,并且在某些情况下不需要Rpu(检查输出是否为集电极开路)。

最近,其他类型的隔离器已经问世。这些不是基于光学的,而是基于电容式,巨磁阻或磁耦合。这些通常更快,但要贵得多。 在所有这些具有直接数字输出的光耦合器/隔离器中,只能使用反相和非反相配置的第一个版本(即光耦合器连接在3.3V系统的输入和地之间)。

上拉电阻

上拉电阻

优势:

两个系统之间的电气绝缘。它不仅提供更好的噪声性能,而且还提高了系统的安全性。

允许将任何电压电平转换为“任何”电压电平。

通过正确选择接地或电源(取决于配置),您可以实现其他类型的电压转换(例如-12V...+12V至0...3.3V转换)。

劣势:

它需要一个光耦合器。

标准光耦合器通常速度较慢。对于高数据速率,需要特殊的“高速”光耦合器。

由于内部LED,电流消耗相对较高。

如果需要高带宽,则功耗较高,因为如果需要较小的上升/下降时间,则Rpu/Rpd需要相当小。

以上16种方法,您更喜欢哪种方法?



审核编辑:刘清

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