9种实用的将3.3V输出连接到5V输入的方法！

硬件攻城狮 2022-12-20 3891

描述

在本文中，我们将介绍相反的问题：我们有一个3.3V输出，我们需要驱动一个5V系统。

这是一个非常典型的情况，我们有一个3.3V系统(例如大多数32位系统，如STM32)，我们需要将数据发送到较旧的5V系统，如51单片机。

首先，我们需要考虑我们正在连接哪种5V系统。特别是，我们需要知道：

低电平和高电平输入和输出电压。

输入电流

对于CMOS输入，输入电流通常在1uA左右或更低，因此不存在这样的问题。对于TTL器件，输入电流甚至可能超过1 mA(例如，参见7400数据表)。因此，在与TTL输入接口时，应采取一些额外的措施，我们将进行逐一的解释。

另一个更重要的方面由逻辑电平。

事实上，5V TTL和5V CMOS输入具有不同的逻辑电平，因此我们将提出的一些解决方案对于某些输入是足够的，但这些解决方案无法可靠地用于其他输入类型。

CMOS

图1：3.3 V CMOS输出、5 V TTL输入和5 V CMOS输入的逻辑电平

将3.3V输出接口至5V输入的主要方式有：

直接连接

使用 74HCTxx 栅极(或其他 5V TTL 输入兼容系列)

使用二极管偏移

电阻偏移

双极型晶体管/场效应管逆变器

系列晶体管

双极型晶体管系列

电平转换器 IC

光耦合器/隔离器

1、直接连接

这是最简单的方法。此解决方案“几乎总是”有效，但有一些重要的警告。

CMOS

图2：3.3V CMOS和5V TTL器件之间可以直接连接

首先，当与TTL输入接口时，任何最新的CMOS输出都将工作，因为3.3V CMOS的高电平输出电压接近3.3V(注意!实际输出电压取决于输出电流。对于重负载输出，输出电平可能变化为0.5V或更高!)，TTL的最小高电平输入电压仍为2V。同样，如果不是负载太重，CMOS的低电平输出电压也低于最大低电平TTL输入电压。

我们之所以写“最新”的CMOS，是因为较旧的CMOS芯片(例如CD4xxx系列)具有非常高的输出阻抗，因此它们不会吸收/源出太多电流(您通常不希望吸收/源出超过0.5 mA)。试图获得太多的电流会使输出电压偏移太大。较旧的TTL芯片具有输入电流，可能超过1mA。几乎所有现代CMOS器件(例如MCU的GPIO)都可以毫无问题地驱动更高的电流。

其次，当连接到5V CMOS器件时，这可能有效，但不可靠。事实上，5V CMOS的高电平输入电压为3.5V。这甚至高于您期望从3.3V系统(即3.3V)获得的最大输出电压。

不过，为什么这有时还可以使用呢?答案是由于实际的阈值逻辑电平，即5V CMOS的2.5V。任何高于2.5V的电压将被读取为1，任何低于2.5V的电压将被读取为0。

但是，实际的阈值水平可能会随着温度和老化而变化：在两个逻辑电平区域之间操作是不安全的。任何噪声或干扰都可能在输出端产生毛刺。如果您的系统必须可靠地工作，那么您需要其他解决方案，如下所示。

此外，在驱动接近逻辑电平阈值的数字非迟滞输入时应小心，因为会发生电流消耗。事实上，考虑简单的CMOS逆变器，如下所示：当输入电压接近VDD/2时，两个MOSFET都处于ON状态，因此直流路径电流将从VDD流向GND。

CMOS

上图是CMOS逆变器的内部电路。如果“IN”信号处的电压接近VDD/2，则两个MOSFET都将处于ON状态，并且电流将在VDD和GND之间流动

优势：

无需其他组件

简单

劣势：

降低噪声裕量，容易收到干扰

仅与某些逻辑族可靠地工作

2、使用逻辑门电路

74HCTxx 系列是具有 TTL 兼容逻辑电平的 CMOS 器件(具有 TTL 兼容输入电平的所有其他 5V 逻辑系列也可以正常工作)。特别是，输入高压电平为2V，远低于CMOS高输出电压。通过在系统之间插入任何具有TTL兼容输入电平的逻辑门(请参阅下面的示例)，就可以实现合适的电压电平转换器。

CMOS

任何具有TTL兼容输入的非反相逻辑门都可以可靠地充当转换器。

优势：

快

可与 CMOS 和 TTL 器件配合使用

只需要一个电源。

劣势：

需要一个外部 IC(可能还需要其去耦电容等器件)

3：使用二极管偏移

通过直接连接到5V CMOS输入，我们看到主要问题是3.3V输出的高电平输出电压，该输出电压不足以仅处于安全区域(最多3.3V，而最小值为3.5V)。相反，低电平CMOS输入的最大电压是VDD的30%，即5V系统中为1.5V。因此，如果我们能在CMOS输出上增加小的偏移，那就太好了。出于这个原因，可以简单地使用二极管和上拉电阻。

但是，通过这种方式，电流将流入我们3.3V系统的输出保护二极管。这种电流应尽可能小，以避免损坏3.3V系统。

CMOS

上述电路中，当3.3V系统的output为高电平时，5V系统的input电压为3.3V+0.7V(二极管的压降)，当3.3V系统的output为低电平时，5V系统的input电压为0.7V(二极管的压降)。

在测试过程中需要注意，即使在3.3V系统为高电平状态下，3.3V系统也会有电流流入。这可能会导致 3.3V 设备上出现问题。

更好的解决方案是使用额外的二极管。由于新二极管直接连接到3.3V电源轨(它不必通过我们的IC)，因此电流将流向电源。

CMOS

在上述电路中，当输出为高电平时，电流不会流入输出，而是流过D2。

尽管如此，这两种解决方案都有一个固有的问题：如果3.3V系统是低功耗，那么它这样就会消耗非常低的电流。如果总电流消耗低于流入电阻器的电流，则3.3V电源轨实际上将由5V通过电阻器和二极管供电。

这可能是一个问题，因为如果3.3V系统没有消耗足够的电流，3.3V电压可能会增加到约4.3V，这可能会损坏3.3V系统本身。

CMOS

为了解决这个问题，有一个简单的解决方案是放置第二个电阻，它至少吸收流入D2的电流(约1V / R1。因此，R2 应为 R1 的 3.3 倍或更低)。

上图中加上R2，其值最多比R1大3.3倍，这样才能确保流入D2的电流将“耗散”，并且不会增加3.3V电压。

上拉电阻的值应计算在内，以便：

它足够低，可以给我们所需的速度。

它比输入阻抗小得多(尽管在CMOS器件中，这不是一个大问题)。

它足够大，不会使CMOS输出电压过载，特别是在低电平下。对于那些具有相对较高输出阻抗的CMOS输出(CD40xx系列)来说，这尤其是一个问题。

它足够大，以避免过多的电流流入3.3V电源轨。

它足够大，可以将电流消耗保持在可接受的水平。

优势：

便宜

劣势：

比其他解决方案慢得多。

需要仔细选择电阻值：避免损坏，获得正常的速度，并将高低压保持在正确的范围内。

相对较高的电流消耗。

需要 2 到 4 个附加组件。

噪声裕量差。

需要一个低阻抗驱动输出。

需要相对较高的输入阻抗

4：电阻偏移

我们也可以使用电阻分压器引入失调。

这种简单的解决方案比二极管偏移更便宜(但速度稍慢)，并且仍然存在电流流入输出引脚的问题。

CMOS

一个简单的电阻分压器将允许为我们的3.3V输出增加一个失调。

更好的解决方案是在输出中添加一个虚拟负载，该负载将吸附来自5V通过R1和R2的电流。另一种看待这一点的方法是，断开输出，根据计算值，R1-R2-R3将形成电阻分压器，R3两端的电压最多为3.3V。图中指示的值以术语或通用“R”值表示。

CMOS

当输出为3.3V时，添加R3将允许将来自5V的任何电流分流至地(而不是通过输出引脚分流至3.3V。

当输出为0时，电压将为5V *(R2/(R1+R2))，即1V，低于1.5V阈值。当输出为3.3V时，电压将为5V * (R2/(R1+R2)) + 3.3V * (R1/(R1+R2)) = 3.64V。通过调整R1/R2比率可以实现更好的高电平值，但必须考虑到，当输出为0V时，电压应小于1.5V。

注意：我们分别以0和3.3V作为CMOS输出电压，当输出分别为低电平和高电平时。虽然高电平电压没有问题(除非R3太低)(因为它被R1 + R2拉起)，但低电平电压将根据流入输出的电流而增加。

优势：

比二极管偏移量便宜。

劣势：

比二极管失调解决方案慢，特别是在高到低的过渡中，因为电流流过R1和R2，相对于二极管，R1和R2的阻抗要高得多。

需要仔细选择电阻值，以避免损坏，获得适当的速度，并将高低压保持在正确的范围内。

相对较高的电流消耗。

需要 2 到 3 个附加组件。

噪声裕量差。

需要一个低阻抗驱动输出。

需要相对较高的输入阻抗。

5、三极管或MOS管转换

如果可以接受或需要反相信号，则可以使用简单的MOSFET/BJT。否则，可以使用其他阶段。

CMOS

上图中是简单的三极管的反相器。级联两个将允许实现直接信号，而不是反相信号。

CMOS

上图是MOSFET的版本，使用的器件更少，但价格更昂贵。

优势：

相对于二极管偏移，尺寸要简单得多。

更好的噪声裕量，因为低电平和高电平都接近电源轨。

劣势

需要 2/3 个外部组件。

它是反相的。

相对较慢的由低变为高的时间。

相对于MOSFET实现，BJT实现实际上相对较慢，因为BJT关断特性相对较慢。

当MOSFET/BJT处于导通状态时，消耗相对较高。

需要相对较高的输入阻抗

6、MOS管转换

CMOS

上图的工作原理很简单。当输出为3.3V时，MOSFET将处于关断状态，因为VGS=0V，因此输出由上拉电阻保持在5V。如果输出为低电平，则 VGS 为 3.3V。假设MOSFET具有逻辑电平阈值(当VGS = 2.5V时应完全导通)，MOSFET将导通，将低电平值传递至5V输入。

优势：

双向

相对简单的解决方案。

它不会使输入反相，就像通用源配置中的单个 MOSFET/BJT 一样。

劣势：

需要 2 个外部元件

相对较慢。

需要一个低阻抗驱动输出以避免过载。

功耗相对较高。

需要相对较高的输入阻抗。

7、三极管转换

CMOS

这种方案与上面的MOS管方案类似，只是这里使用了三极管。工作原理是相同的，当output输出3.3V时，三极管截止。此时Input的电压被电阻上拉到5V。当output输出0V时，三极管导通，input的电压为三极管的Vce电压。

它与前一个电路具有相同的优点，但也引入了一些额外的缺点。

优势：

双向

相对简单的解决方案。

它不会使输入反相，就像通用源配置中的单个 MOSFET/BJT 一样。

劣势：

需要 3 个外部组件。

相对较慢。

需要一个低阻抗驱动输出以避免过载。

功耗相对较高。

需要相对较高的输入阻抗。

BJT饱和集电极至发射极电压(VCESAT)被添加到低电平输出电压中。不过，一般不印象使用。

8：使用电平转换IC

专用电平转换器 IC(如 74LVC1T245)将满足您所需的一切需求，与分立式解决方案相比具有更好的性能，但价格要高得多。

有许多变体，例如具有不同速度(和价格)的更多通道(74LVC8T245，74LVC16T245)或不同的逻辑系列(74ALVT162245)。

当您需要高性能 3.3V 至 5V 电平转换(通常在高速总线、时钟等中)时，请使用此解决方案。

CMOS

与其他解决方案相比，电平转换器通常性能更好，特别是在噪声裕量和速度方面(直接连接除外)。

优势：

快速(即使不如直接连接快，因为增加了一个小的延迟)。

高噪声裕量

劣势：

需要一个电平转换器，可能还需要 2 个去耦电容器(每个电源域一个)。

贵。

9、使用隔离器件

该解决方案是“任何电压到任何电压”的转换器，因此它也可用于3.3V到5V的转换。有 4 种配置，具体取决于您的要求。

CMOS

上图中是采用光耦合器的非反相配置。

CMOS

上图是使用使用光耦合器的反相配置。

请注意，某些配置需要强大的低电平输出驱动器(而在高级输出强度方面没有任何要求)，而另一种配置则需要强大的高级输出驱动程序。

同样，输出将提供一个强的上拉/下拉路径(通过耦合器)和一个较弱的上拉/下拉路径(分别通过下拉/上拉电阻)。

您可以使用基于电容式、巨磁阻或磁耦合的更新器件，而不是使用标准光隔离器，即使这些器件通常要昂贵得多。

优势：

电气绝缘。

更好的安全性。

“任何电压到任何电压”转换。

您可以选择反转信号。

劣势：

通常速度较慢，除非使用高速隔离器。

相对昂贵。

相当笨重的设备。

高功耗。

输出和输入阻抗有一些限制。

审核编辑：汤梓红

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