在電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，MOS 電平轉(zhuǎn)換電路是一種常見且重要的電路類型。其能夠?qū)崿F(xiàn)不同電平之間的轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，往往會(huì)遇到一些問題，需要我們深入思考并加以解決。下面我們將詳細(xì)探討 MOS 電平轉(zhuǎn)換電路的工作原理、實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題以及相應(yīng)的解決方法。

MOS 電平轉(zhuǎn)換電路的背景與基本原理

基于 MOS 的電平轉(zhuǎn)換電路在電子工程師中并不陌生，在網(wǎng)絡(luò)上可以輕松找到大量相關(guān)資料。其基本模型如下圖所示：

該電路的基本原理可以從兩個(gè)方向進(jìn)行分析：

1. 從 A 到 B 的轉(zhuǎn)換
   • 當(dāng) A 為高電平時(shí)，B 作為輸入處于高阻態(tài)，此時(shí) MOS 管關(guān)斷，B 端通過上拉電阻，輸出高電平。
   • 當(dāng) A 為低電平時(shí)，MOS 管內(nèi)的體二極管導(dǎo)通，使得 MOS 管的 S 極被拉低?？紤]到體二極管的壓降一般為 0.7V，Vgs = 3.3V - 0.7V = 2.6V。當(dāng) Vgs = 2.6V > Vgs (th)（MOS 管的導(dǎo)通閾值電壓）時(shí)，MOS 管導(dǎo)通，B 端被拉低，輸出低電平。這里需要注意的是，MOS 管的導(dǎo)通閾值電壓一定要小于 2.6V。
   • 當(dāng) A 為高阻態(tài)時(shí)，MOS 管關(guān)斷，B 端通過上拉電阻，輸出高電平。
2. 從 B 到 A 的轉(zhuǎn)換
   • 當(dāng) B 為高電平時(shí)，MOS 管關(guān)斷，A 端通過上拉電阻，輸出高電平。
   • 當(dāng) B 為低電平時(shí)，Vgs = 3.3V > Vgs (th)，MOS 管導(dǎo)通，A 端被拉低，輸出低電平。
   • 當(dāng) B 為高阻態(tài)時(shí)，MOS 管關(guān)斷，A 端通過上拉電阻，輸出高電平。

實(shí)際應(yīng)用中的問題與分析

在實(shí)際設(shè)計(jì)了一款如下的電路后，乍一看似乎沒有問題，但在實(shí)際測試過程中，卻發(fā)現(xiàn)了一些異常情況。

當(dāng)模塊 A 端配置為高阻態(tài)時(shí)，模塊 A 和 B 端的低電平都出現(xiàn)了不正常的情況。實(shí)測值分別為：A 端電平為 0.7V，B 端電平為 0.5V。然而，當(dāng)模塊 A 配置為輸出且輸出為低時(shí)，情況卻不正常。為了找出問題的根源，我們進(jìn)行了一系列的測試和分析：

1. 斷開模塊 A，測量 MOS 管 2 端和 3 端的電壓分別為：0.68V 和 0.49V，這個(gè)結(jié)果與上述測試現(xiàn)象一致。
2. 再斷開模塊 B，測量 MOS 管 2 端和 3 端的電壓分別為：1.8V 和 3.3V，這個(gè)結(jié)果與理論分析的結(jié)果相同。
3. 連接上模塊 A，斷開模塊 B，測量 MOS 管 2 端和 3 端的電壓分別為：1.8V 和 3.3V，此時(shí) 2.1 節(jié)中出現(xiàn)的問題不再出現(xiàn)。

通過以上測試可以分析得出，出現(xiàn)問題的根本原因是模塊 B 引起的。具體情況如下圖所示：

當(dāng)模塊 B 有電流灌入時(shí)，3 端的電壓為 0.5V，那么 R1047 的電流為 0.28mA。此時(shí) MOS 管 Vgs = 1.3V，查看手冊(cè)可知，其開啟電壓閾值在 0.8V - 1.4V 之間。此時(shí) Vds 的電壓為 0.2V，Vds <Vgs - Vgs (th)，此時(shí) MOS 處于可變電阻區(qū)。

在計(jì)算 Ron 電阻時(shí)，不能簡單地參考手冊(cè)上的數(shù)值，可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

也可以參照手冊(cè)上的圖，大概估計(jì) Ron 值在 20Ω 左右，電流在 10mA 左右。根據(jù)上述描述，在模塊 B 端肯定是內(nèi)部下拉，流入的電流為 0.28 + 10 = 10.28mA。因此模塊 B 的下拉電阻為：Rpd = 0.5V / 10.28mA = 48.6Ω。這就導(dǎo)致了模塊 A 端為高阻態(tài)的時(shí)候，模塊 B 端電源為 0.5V。

總結(jié)與建議

通過對(duì) MOS 電平轉(zhuǎn)換電路在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)問題的分析，我們可以得出以下結(jié)論和建議：

1. 當(dāng)模塊 A 為高阻態(tài)的時(shí)候，模塊 B 的狀態(tài)無法確定，并非如我們想象中的高電平，而是與模塊 B 的上下拉情況有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)模塊 A 或者模塊 B 的高阻態(tài)，以免引發(fā)電平輸出不正常的問題。特別是在涉及復(fù)位信號(hào)的設(shè)計(jì)中，尤其需要注意這一點(diǎn)。
2. 當(dāng)模塊 B 為低電平時(shí)，此時(shí) MOS 管 2 端和 3 端的電壓差很小，壓降也很小，3 端不會(huì)存在電流流進(jìn) B 端。經(jīng)計(jì)算，壓降為 48.6Ω x 0.28mA = 13mV，而實(shí)測值為 17mV，與分析結(jié)果基本一致。