[分享]19种电压转换的电路设计方法（下） [复制链接]

技巧十四：3.3V→5V模拟增益模块


从3.3V电源连接至5V时，需要提升模拟电压。33kΩ和17kΩ电阻设定了运放的增益，从而在两端均使用满量程。11kΩ电阻限制了流回3.3V电路的电流。
技巧十五：3.3V→5V模拟补偿模块


该模块用于补偿3.3V转换到5V的模拟电压。下面是将3.3V电源供电的模拟电压转换为由5V电源供电。右上方的147kΩ、30.1 kΩ电阻以及+5V电源，等效于串联了25 kΩ电阻的0.85V电压源。这个等效的25kΩ电阻、三个25 kΩ电阻以及运放构成了增益为1 V/V的差动放大器。0.85V等效电压源将出现在输入端的任何信号向上平移相同的幅度；以3.3V/2 = 1.65V为中心的信号将同时以5.0V/2 = 2.50V 为中心。左上方的电阻限制了来自5V电路的电流。


技巧十六：5V→3.3V有源模拟衰减器


此技巧使用运算放大器衰减从5V至3.3V系统的信号幅值。


要将5V模拟信号转换为3.3V模拟信号，最简单的方法是使用R1:R2 比值为1.7:3.3的电阻分压器。然而，这种方法存在一些问题。
1）衰减器可能会接至容性负载，构成不期望得到的低通滤波器。
2）衰减器电路可能需要从高阻抗源驱动低阻抗负载。


无论是哪种情形，都需要运算放大器用以缓冲信号。
所需的运放电路是单位增益跟随器（见图 16-1）。
电路输出电压与加在输入的电压相同。


为了把5V信号转换为较低的3V信号，我们只要加上电阻衰减器即可。
如果电阻分压器位于单位增益跟随器之前，那么将为3.3V电路提供最低的阻抗。此外，运放可以从3.3V供电，这将节省一些功耗。如果选择的X非常大的话，5V侧的功耗可以最大限度地减小。


如果衰减器位于单位增益跟随器之后，那么对5V源而言就有最高的阻抗。运放必须从5V供电，3V侧的阻抗将取决于R1||R2的值。


技巧十七：5V→3.3V模拟限幅器


在将5V信号传送给3.3V系统时，有时可以将衰减用作增益。如果期望的信号小于5V，那么把信号直接送入3.3V ADC将产生较大的转换值。当信号接近5V时就会出现危险。所以，需要控制电压越限的方法，同时不影响正常范围中的电压。这里将讨论三种实现方法。


1. 使用二极管，钳位过电压至3.3V供电系统。
2. 使用齐纳二极管，把电压钳位至任何期望的电压限。
3. 使用带二极管的运算放大器，进行精确钳位。


进行过电压钳位的最简单的方法，与将5V数字信号连接至3.3V数字信号的简单方法完全相同。使用电阻和二极管，使过量电流流入3.3V 电源。选用的电阻值必须能够保护二极管和3.3V电源，同时还不会对模拟性能造成负面影响。如果3.3V电源的阻抗太低，那么这种类型的钳位可能致使3.3V电源电压上升。即使3.3V电源有很好的低阻抗，当二极管导通时，以及在频率足够高的情况下，当二极管没有导通时（由于有跨越二极管的寄生电容），此类钳位都将使输入信号向3.3V电源施加噪声。






对于这两个示例，提高基极电流留出裕度是不错的做法。将1 mA的基极电流驱动至2 mA能确保饱和，但代价是提高了输入功耗。


技巧十九：驱动N沟道MOSFET晶体管


在选择与3.3V单片机配合使用的外部N沟道MOSFET时，一定要小心。MOSFET栅极阈值电压表明了器件完全饱和的能力。对于3.3V应用，所选MOSFET的额定导通电阻应针对3V或更小的栅极驱动电压。例如，对于具有3.3V驱动的100 mA负载，额定漏极电流为250μA的FET在栅极-源极施加1V电压时，不一定能提供满意的结果。在从5V转换到3V技术时，应仔细检查栅极-源极阈值和导通电阻特性参数，如图19-1所示。稍微减少栅极驱动电压，可以显著减小漏电流。
对于MOSFET，低阈值器件较为常见，其漏－源电压额定值低于30V。漏－源额定电压大于30V的 MOSFET，通常具有更高的阈值电压（VT）。
对于IRF7201数据手册中的规范，栅极阈值电压最小值规定为1.0V。这并不意味着器件可以用来在1.0V栅-源电压时开关电流，因为对于低于4.5V的VGS（th），没有说明规范。对于需要低开关电阻的3.3V 驱动的应用，不建议使用IRF7201，但它可以用于5V驱动应用。