先說(shuō)一說(shuō)這個(gè)電路的用途： 當兩個(gè)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“電平雙向轉換電路”就可以實(shí)現不同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(chǎng)效應管(2N7002)。它和三極管的功能很相似，可做開(kāi)關(guān)使用，即可控制電路的通和斷。不過(guò)比起三極管，MOS管有挺多優(yōu)勢，后面將會(huì )詳細講起。
圖2是MOS管實(shí)物3D圖和電路圖。簡(jiǎn)單的講，要讓它當做開(kāi)關(guān)，只要讓Vgs(導通電壓)達到一定值，引腳D、S就會(huì )導通，Vgs沒(méi)有達到這個(gè)值就截止。
圖2
加入MOS管的作用
如何將2N7002應用到上面電路中，又起著(zhù)什么作用呢？ 下面我們來(lái)分析一下。
圖3
看圖3，如果沿著(zhù)a、b兩條線(xiàn)，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(對應圖3中的2、3引腳)截止就相當于a、b兩條線(xiàn)，將電路切斷。也就是說(shuō)，此電路在2N7002截止的時(shí)候是可以做到，給兩個(gè)MCU引腳輸送對應的工作電壓。
1、 分析數據傳輸方向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(shí)2N7002的S、D引腳(對應圖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(shí)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(gè)回路。2N7002的2引腳被拉低，此時(shí)MCU2 RX為0V。該電路從MCU1到MCU2方向，數據傳輸，達到了電平轉換的效果。
2、 分析數據傳輸方向MCU2→MCU1 ：
圖5
1）MCU2 TX發(fā)送高電平(3.3V)，此時(shí)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(shí)MCU1 RX引腳被VCC1上拉為5V。
2）MCU2 TX發(fā)送低電平(0V)，此時(shí)Vgs(圖5中1、2引腳電壓差)電壓差約等于3.3V，2N7002導通，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(gè)回路。2N7002的3引腳被拉低，此時(shí)MCU1 RX為0V。
該電路從MCU2到MCU1方向，數據傳輸，達到了電平轉換的效果。
到此，該電路就分析完了，這是一個(gè)雙向的串口電平轉換電路。
MOS管的優(yōu)勢
1、 場(chǎng)效應管的源極S、柵極G、漏極D分別對應于三極管的發(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圖。
圖6
2、 場(chǎng)效應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管道放大系數是(跨導gm)當柵極電壓改變一伏時(shí)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(貝塔β)當基極電流改變一毫安時(shí)能引起集電極電流變化多少。
3、 場(chǎng)效應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(shí)基極電流IB決定集電極電流IC。因此場(chǎng)效應管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高得多。
4、 場(chǎng)效應管只有多數載流子參與導電；三極管有多數載流子和少數載流子兩種載流子參與導電，因少數載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場(chǎng)效應管比三極管的溫度穩定性好。
5、 場(chǎng)效應管在源極未與襯底連在一起時(shí)，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(shí)，其特性差異很大，b 值將減小很多。
6、 場(chǎng)效應管的噪聲系數很小，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(chǎng)效應管。
7、 場(chǎng)效應管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開(kāi)關(guān)電路，但是場(chǎng)效應管制造工藝簡(jiǎn)單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應用中正逐步地取代普通晶體三極管，目前的大規模和超大規模集成電路中，已經(jīng)廣泛的采用場(chǎng)效應管。
8、輸入阻抗高，驅動(dòng)功率�。� 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(huì )產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅動(dòng)，所以驅動(dòng)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，才能驅動(dòng)集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅動(dòng)是需要功率的(Vb×Ib)。
9、開(kāi)關(guān)速度快： MOSFET的開(kāi)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(kāi)關(guān)的速度變慢，但是在作為開(kāi)關(guān)運用時(shí)，可降低驅動(dòng)電路內阻，加快開(kāi)關(guān)速度(輸入采用了后述的“灌流電路”驅動(dòng)，加快了容性的充放電的時(shí)間)。
MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速，開(kāi)關(guān)時(shí)間在10—100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數載流子的存儲效應，使開(kāi)關(guān)總有滯后現象，影響開(kāi)關(guān)速度的提高(目前采用MOS管的開(kāi)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(lái)說(shuō)是難以想象的)。
10、無(wú)二次擊穿： 由于普通的功率晶體三極管具有當溫度上升就會(huì )導致集電極電流上升(正的溫度～電流特性)的現象，而集電極電流的上升又會(huì )導致溫度進(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上升、耐壓繼續下降最終導致晶體三極管的擊穿，這是一種導致電視機開(kāi)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象，也稱(chēng)為二次擊穿現象。
MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當管溫度(或環(huán)境溫度)上升時(shí)，溝道電流IDS反而下降。例如；一只IDS=10A的MOS FET開(kāi)關(guān)管，當VGS控制電壓不變時(shí)，在250C溫度下IDS=3A，當芯片溫度升高為1000C時(shí)，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導致溝道電流IDS下降的負溫度電流特性，使之不會(huì )產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。
也就是MOS管沒(méi)有二次擊穿現象，可見(jiàn)采用MOS管作為開(kāi)關(guān)管，其開(kāi)關(guān)管的損壞率大幅度地降低，近兩年電視機開(kāi)關(guān)電源采用MOS管代替過(guò)去的普通晶體三極管后，開(kāi)關(guān)管損壞率大大降低也是一個(gè)極好的證明。
11、MOS管導通后其導通特性呈純阻性： 普通晶體三極管在飽和導通時(shí)，幾乎是直通，有一個(gè)極低的壓降，稱(chēng)為飽和壓降，既然有一個(gè)壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導通后等效是一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)等效的電阻是一個(gè)非線(xiàn)性的電阻(電阻上的電壓和流過(guò)的電流不能符合歐姆定律)，而MOS管作為開(kāi)關(guān)管應用，在飽和導通后也存在一個(gè)阻值極小的電阻。
但是這個(gè)電阻等效一個(gè)線(xiàn)性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過(guò)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，導通后既然等效是一個(gè)線(xiàn)性元件，線(xiàn)性元件就可以并聯(lián)應用，當這樣兩個(gè)電阻并聯(lián)在一起，就有一個(gè)自動(dòng)電流平衡的作用。所以MOS管在一個(gè)管子功率不夠的時(shí)候，可以多管并聯(lián)應用，且不必另外增加平衡措施(非線(xiàn)性器件是不能直接并聯(lián)應用的)。 |
