Wie funktioniert ein bidirektionaler Level-Shifter?

Ich habe folgende Schaltung mit einem NPN HEXFET Q1 (BS170)Schaltkreis

Korrigiert mich, wenn ich falsch liege:

Wenn der Mikrocontroller TX-3V3 3.3Vdh logisch 1 ist, ist TX-5V logisch 1. Dies liegt daran, dass das Gate von Q1 GESCHLOSSEN ist, wenn v G S größer als 0 ist, und OPEN, wenn dies nicht der Fall ist. Also im Moment ist es seit geöffnet v G S = 0 .

Frage:

Ich bin verwirrt, wenn der TX-3V3-Mikrocontroller 0 V ist, dh logisch 0. Ich weiß aus meinen Messungen, dass das Ergebnis ist, dass der TX-5 V in diesem Fall 0 ist. Ich verstehe nicht warum.

Ich würde sagen, das Tor von Q1 ist geschlossen, da v G S ≈ 3.3 v . Mögliche Szenarien, die mir einfallen, bitte korrigieren Sie mich, wo mein Denkprozess falsch ist, ich möchte meine Fehler wissen :

  • Der TX-5V hat eine Impedanz, und da der Strom den Weg des geringsten Widerstands nimmt, gehe ich davon aus, dass der Strom aus der 5-V-Versorgung zum TX-3V3 fließt. Doch was passiert dann? Ich stelle mir Strom immer als Murmeln vor, die sich durch eine Röhre bewegen. Da der TX-3V3 eine 0 ist, wohin werden dann die Murmeln fließen? Da ist keine Masse angeschlossen...
  • Eine andere meiner Vermutungen ist, dass die Spannung am R2-Widerstand 5 V beträgt, sodass das am TX-5V verbleibende Potenzial 0 V beträgt. In diesem Szenario gibt es jedoch immer noch keinen Boden. Wo kann also der Strom hin? Bitte beantworten Sie diese Frage: Da der Strom nirgendwohin fließen kann, bedeutet dies, dass an R2 keine Spannung anliegt?

Je nach Belegung kann der TX-5V auch die logische '1' oder '0' für den TX-3V3 steuern. Kann einer von Ihnen das Szenario erklären, in dem der TX-3V3 0 V und der TX-5V 5 V beträgt? Wie kann der TX-5 den TX-3V3 steuern, so wie der TX-3V3 den TX-5 steuert?

Diese Schaltung wird hier ausführlich beschrieben [Von einem Moderator bearbeitet, um auf die Kopie des NXP-Appnotes im Internetarchiv zu verweisen, da der Link verrottet ist.]

Antworten (3)

Wenn der 3,3-V-Eingang auf 0 V heruntergezogen wird, liegt die Quelle bei 0 V, das Gate bei 3,3 V und der MOSFET ist (mehr oder weniger für diesen speziellen Teil) "an".

Daher senkt der Treiber für den TX-3.3V Strom von R1 und R2 und der Ausgang geht leicht über die Eingangsspannung (weil Rds(on) > 0 und etwas Strom durch R2 fließt).

Wenn Sie den TX-5-V-Ausgang auf Low ziehen, leitet die Body-Diode des MOSFET und bringt den TX-3,3-V-Eingang (und die MOSFET-Quelle) auf den niedrigen TX-5-V-Pegel plus etwa 0,6 V. Wenn der MOSFET eine ausreichend niedrige Schwellenspannung hat, leitet der Kanal weiter, wodurch die Quellenspannung reduziert wird, und die Situation ist die gleiche wie bei Ansteuerung von der anderen Seite (der MOSFET-Kanal leitet in beide Richtungen).

Ohne eine detaillierte Bewertung vorzunehmen, denke ich, dass dieser spezielle n-Kanal-MOSFET ziemlich marginal ist. Ich schlage vor, etwas mit einem garantiert niedrigeren Vgs (th) bei 1 mA zu wählen, eher so etwas wie den BSS138.

Was ist eine Bodydiode?
Die Body-Diode (im Schaltplan als Zener dargestellt) ist Teil der MOSFET-Struktur und wirkt wie eine Diode, die leitet, wenn der Drain viel negativer wird als die Source. Stellen Sie sich einen internen 1N4148 vor, der von Drain zu Source verbunden ist.
@ user1534664 Mehr zur MOSFET-Body-Diode hier .
@SpehroPefhany Wenn also der Drain viel negativer ist als die Source, leitet die Diode. Aber wenn der Drain 0 V beträgt, wie ist er dann negativer als die Source, die standardmäßig 0 V beträgt?
Ist der Text, den ich in meine Frage oben "Frage:" geschrieben habe, korrekt? Ich bin jetzt verwirrt, da ich dachte, das Gate sei von V_GS abhängig, und jetzt sagst du mir, es sei von der Body-Diode abhängig.
Die Body-Diode kommt ins Spiel, wenn die TX-5V-Leitung von 5V auf Low gebracht wird. Die andere Seite lag bei 3,3 V (also +3,3 auf Source, +5 auf Drain, Body-Diode in Sperrrichtung vorgespannt). Ziehen Sie nun die TX-5V-Leitung auf Low. 0 V am Drain, Source durch R1 auf 3,3 hochgezogen. Die Body-Diode leitet und es sind 0,6 V am TX-3.3, der MOSFET schaltet sich ein und zieht ihn den Rest des Weges nach unten.
@ user1534664 Die Körperdiode kommt nur im zweiten Teil Ihrer Frage ins Spiel. "Wie wird der TX-5 den TX-3V3 steuern können".
@SpehroPefhany Blöde Frage ... Was meinst du mit "niedrig gebracht"? Sie meinen, der Mikrocontroller ist so programmiert, dass er die TX-5V-Leitung auf niedrig stellt, richtig? Und ist die andere Seite nicht standardmäßig immer 0?
Es kann jeweils nur eine Seite angesteuert werden (hoch angesteuert, niedrig angesteuert oder High-Z-Eingang). Beide können Eingänge sein. Also 5 zulässige Kombinationen. Der MOSFET ist nur eingeschaltet, wenn ein Eingang niedrig ist. Ansonsten ist es aus und beide Seiten sind hoch.
Tatsächlich ist es durchaus möglich, dass beide Seiten gleichzeitig tief gefahren werden. Dies wäre bei einem I2C-Bus der Fall, wo ein Pegelumsetzer wie dieser üblicherweise zwischen einem 3,3-V-Gerät und einem 5-V-Bus verwendet wird. Wenn die Master-Seite SCL niedrig hält, kann der Slave auch SCL niedrig treiben, was als "Clock-Stretching" bekannt ist.

Das ist so einfach, wie ich es mir vorstellen kann.

Was auch immer passiert, das Gate liegt immer bei 3,3+ Volt. Wenn TX-3V3es auf Null geht, ist V GS +3,3 - 0, wodurch der Schalter geschlossen wird und die Spannung TX-5Vebenfalls auf Null gezogen wird.

Wenn der Eingang auf einer Seite hoch ist, passiert nichts und beide Seiten sind hoch.

MOSFET Q1 leitet (von Drain zu Source) nur, wenn die Spannung des Gates 3,3 Volt höher ist als die Spannung der Source. In diesem speziellen Fall geschieht dies nur, wenn sich das Quellenterminal auf einer LOGISCHEN NULL befindet. Sobald der MOSFET getriggert ist, wird die Spannung am Drain ebenfalls ein LOGISCHER NULL-Pegel, weil der MOSFET von Drain zu Source leitet. Wenn andererseits die Source LOGISCH EINS wird, tritt der MOSFET in die NICHT LEITENDE ZONE ein und der Drain wird aufgrund des Pull-up-Widerstands ebenfalls LOGISCH EINS.

Damit diese Schaltung funktioniert, muss die Schaltung, die das Signal der Quelle steuert, in der Lage sein, den von beiden Widerständen abgeleiteten Strom zu senken, sodass ihre Werte hoch genug sein müssen, um das Gate, das das Signal der Quelle steuert, nicht zu überlasten, und ausreichend niedrig, um das Signal zu halten MOSFET arbeiten und Konflikte mit elektrischem Rauschen im Zusammenhang mit Widerständen mit hohem Widerstandswert vermeiden.

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