经典MOS管电平转换电路原理分析
电平转换在电路设计中非常常见，因为做电路设计很多时候就像在搭积木，这个电路模块，加上那个电路模块，拼拼凑凑连起来就是一个电子产品了。而各电路模块间经常会出现电压域不一致的情况，所以模块间的通讯就要使用电平转换电路了。
上图是用mos管实现的i2c总线电平转换电路，实现3.3v电压域与5v电压域间的双向通讯。挂在总线上的有3.3v的器件，也有5v的器件，通过这个电路，大家就可以愉快地玩耍聊天了。
实物对照图如下。实物的上拉电阻用了4.7k欧姆，可以提供更大的电流驱动能力。在满足电路性能的前提下，我喜欢用阻值更大的电阻，因为功耗更低更省电。
原理分析
简化来看，留下i2c的一根线来分析就可以了，如下图。
分四种情况：
1、当sda1输出高电平时：mos管q1的vgs = 0，mos管关闭，sda2被电阻r3上拉到5v。
2、当sda1输出低电平时：mos管q1的vgs = 3.3v，大于导通电压，mos管导通，sda2通过mos管被拉到低电平。
3、当sda2输出高电平时：mos管q1的vgs不变，mos维持关闭状态，sda1被电阻r2上拉到3.3v。
4、当sda2输出低电平时：mos管不导通，但是它有体二极管!mos管里的体二极管把sda1拉低到低电平，此时vgs约等于3.3v，mos管导通，进一步拉低了sda1的电压。
注：
低电平指等于或接近0v。
高电平指等于或接近电源电压。所以3.3v电压域的器件，其高电平为等于或接近3.3v;5v电压域的器件，其高电平为等于或接近5v。
具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的，常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平，0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5v的时候，5 x 0.3 = 1.5v 以下为低电平，5 x 0.7 = 3.5v 以上为高电平。
某一个芯片数据手册里关于高低电平的阈值范围说明
注意事项
以上是3.3v与5v之间的情况，如果换用其他电压域之间的转换，如3.3v、2.5v、1.8v等电压值的两两之间，需要注意mos管的vgs开启导通电压。
给mos管过高的vgs会导致mos管烧坏!给过低的vgs会导致mos管打不开!不同型号的mos管这个参数值还不一样!!!
举例：其中一个厂家生产的2n7002的数据手册，vgs不能超过正负20v
再来看一下，设计电路时vgs可能设计过小的情况，下图是2n7002的数据手册：
举例：其中一个厂家生产的2n7002的数据手册，vgs的开启电压为1v
实际使用时为保证完全开启、完全导通，设计上要多预留余量，比如实际电路中vgs起码给到1.8v。因为1.8v的设计参数接近数据手册标注的1v临界值，尤其注意用实验验证，确保万无一失。
总结
3.3v跟5v互转的电路已经是一个经典电路，实在是硬件设计师居家旅行、护院看家，必备良药!mos管型号就记住用2n7002，这个型号便宜，性能久经考验，不像有些mos管外型看起来跟2n7002一样，但实际是大功率的，有部分性能规格浪费了，有部分性能规格又不一定能满足需要，主要是还贼贵，具体其他mos是怎样的这里就不细究啦。
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实物对照图如下。实物的上拉电阻用了4.7k欧姆，可以提供更大的电流驱动能力。在满足电路性能的前提下，我喜欢用阻值更大的电阻，因为功耗更低更省电。
原理分析
简化来看，留下i2c的一根线来分析就可以了，如下图。
分四种情况：
1、当sda1输出高电平时：mos管q1的vgs = 0，mos管关闭，sda2被电阻r3上拉到5v。
2、当sda1输出低电平时：mos管q1的vgs = 3.3v，大于导通电压，mos管导通，sda2通过mos管被拉到低电平。
3、当sda2输出高电平时：mos管q1的vgs不变，mos维持关闭状态，sda1被电阻r2上拉到3.3v。
4、当sda2输出低电平时：mos管不导通，但是它有体二极管!mos管里的体二极管把sda1拉低到低电平，此时vgs约等于3.3v，mos管导通，进一步拉低了sda1的电压。
注：
低电平指等于或接近0v。
高电平指等于或接近电源电压。所以3.3v电压域的器件，其高电平为等于或接近3.3v;5v电压域的器件，其高电平为等于或接近5v。
具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的，常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平，0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5v的时候，5 x 0.3 = 1.5v 以下为低电平，5 x 0.7 = 3.5v 以上为高电平。
某一个芯片数据手册里关于高低电平的阈值范围说明
注意事项
以上是3.3v与5v之间的情况，如果换用其他电压域之间的转换，如3.3v、2.5v、1.8v等电压值的两两之间，需要注意mos管的vgs开启导通电压。
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再来看一下，设计电路时vgs可能设计过小的情况，下图是2n7002的数据手册：
举例：其中一个厂家生产的2n7002的数据手册，vgs的开启电压为1v
实际使用时为保证完全开启、完全导通，设计上要多预留余量，比如实际电路中vgs起码给到1.8v。因为1.8v的设计参数接近数据手册标注的1v临界值，尤其注意用实验验证，确保万无一失。
总结
3.3v跟5v互转的电路已经是一个经典电路，实在是硬件设计师居家旅行、护院看家，必备良药!mos管型号就记住用2n7002，这个型号便宜，性能久经考验，不像有些mos管外型看起来跟2n7002一样，但实际是大功率的，有部分性能规格浪费了，有部分性能规格又不一定能满足需要，主要是还贼贵，具体其他mos是怎样的这里就不细究啦。
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