5V到3.3V 逻辑电平转换

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DC UPS

很多时候我们必须将 5V 设备连接到 3.3V 设备。这种情况在 Arduino 上非常常见，但其他应用程序也可能需要 5V 到 3.3V IC 或系统进行通信。在许多情况下，可能需要某种逻辑电平转换器/转换/转换电路。

例如，假设您要将工作电压为 5V 的 Arduino Uno 连接到 3.3V 设备，例如我们在指南“如何在 Arduino Uno 上播放视频 (2/6) ”中使用的显示器。同样，有许多 5V 设备或屏蔽不能与工作电压为 3.3 V 的 Arduino 2 或 Zero 一起使用。

在本文中，我们将讨论 5V 到 3.3V 逻辑电平接口。有关相反的任务，即 3.3V 到 5V 的转换，请参阅本文。

有很多方法可以将 5V 输出连接到 3.3V 输入。最常见的是：

直接连接（警告：仅限 5V 容限输入！）
串联电阻。
串联电阻与外部肖特基二极管钳位至 3.3V 线路。
带上拉电阻的串联二极管。
带有有源钳位的串联电阻。
电阻器和齐纳二极管。
电阻分压器。
BJT/MOSFET 作为逆变器。
两个级联的 BJT/MOSFET 作为缓冲器。
开漏/集电极输出上的上拉电阻。
添加具有开漏/集电极输出的 5V 供电逻辑 IC（缓冲器、门等）。
添加具有 5 V 容限输入的 3.3V 供电逻辑电路（缓冲器、门等）。
串联 MOSFET（共栅极配置）。
串联 BJT（共基极配置）。
电平转换器。
光耦合器。

注意！在下图中，所有电阻器符号内都有“R”标签。这并不意味着电阻器的值都相同！

直接连接（警告：仅限 5V 容限输入！）

最简单的方法是直接连接。这是 Arduino 以太网扩展板的情况：Wiznet W5500 以太网芯片工作在 3.3V，但具有 5V 容差输入（参见数据表）。而 Arduino 2 没有 5V 容差输入，因此您永远不应将 5V 输出直接连接到其任何输入引脚！

图 1. 如果 3.3V 设备具有 5V 容限输入，则可以直接连接。

优点：

无需额外费用或空间。
最快的解决方案。

缺点：

它仅适用于可耐受 5V 电压的设备。

串联电阻

将 5V 连接至 3.3V 系统的第二种最简单的方法是使用串联电阻。

图 2. 用于将 5V 输出连接至 3.3V 输入的串联电阻。输入必须有保护二极管！

工作原理：

3.3V（非 5V 耐受 IC）的输入通常由二极管保护：一个朝向 V DD，另一个朝向 GND ，如下图所示。这些二极管通常处于关闭状态，因为它们都是反向偏置的。但是，如果您尝试施加大于 V DD,3.3V 的电压，它们会将输入电压钳位到 V DD,3.3V （加上正向二极管电压，通常为 0.7V）。由于开关设备的电容耦合或振铃，即使在仅 3.3V 的系统中也会出现大于 V DD,3.3V 的瞬态尖峰。

图 3. CMOS IC 上输入保护电路的简化示意图。

当 5V 电压通过电阻馈送到输入端时，二极管将导通：电阻限制流入引脚的电流，从而保护输入端。数据表中有时会标明流入引脚的最大电流，出于两个原因，应将其保持在较低水平：

通常，除了漏电流外，没有电流会流入引脚。由于闩锁现象，可能会造成损坏。
_{流入输入引脚的电流将从 V DD}引脚流出！如果这种电流太大，可能会增加整个系统的 V _DD电压，从而损坏 IC。如果系统的电流消耗大于流入引脚的电流，则应该没有问题。否则，建议在 V _DD_、3.3V和 GND 之间放置一个假负载。负载的值应至少吸收流入所有输入的电流。

要计算该值，只需将输入电流视为 I=(5V-3.3V)/R _S。然后在 V _DD_、3.3V和 GND 之间放置一个电阻，使其吸收相同的电流 I。换句话说：R _LOAD = R _S 3.3V (5V-3.3V) 或约 2 R _S。如果您有多个输入，则必须相应减少 R _LOAD。如果您的系统已经从 3.3V 吸收“I”（例如由于 IC 电流消耗或存在常亮 LED），那么您可以省略或增加 R _LOAD。

这种解决方案还有另一个缺点：它严重限制了带宽，除非使用低值电阻。事实上，输入引脚和走线将具有一定的寄生电容 C _parasitic。

系统带宽为 f _C =1/(2πR _S C _parasitic )。这并不意味着您可以希望 af _C_{数字时钟信号通过时不会严重失真。这里我们绘制了一个经过滤波器后的 500kHz 方波，其 f C}为 1MHz 。

图 4. 500 kHz 时钟馈入图 2 的电路（红线）。蓝线是实际获得的波形。

为了提高带宽，应使用低值电阻。但是，不建议使用低值电阻，原因如下：

已经提到的电流进入引脚。
當前消耗。
输出的过载。
当输入切换时，它会在 V _DD_、3.3V线路上产生额外的噪声。

实际值在1-10kOhm之间。

优点：

简单的解决方案：每个输入引脚只需一个电阻。

缺点：

功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
输出过载（使用低值电阻）
进入输入端的电流可能会引起闩锁。
如果 3.3V 系统的最小电流消耗非常低，则需要在 3.3V 电源上添加外部负载电阻。
由于电流注入，3.3V 电源上可能产生噪声。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

串联电阻与外部肖特基二极管钳位至 3.3V 线路。

该电路与之前的解决方案类似，但是可以实现更快的速度，因为大部分电流将由肖特基二极管而不是保护二极管承载。

这仍然有缺点，即电流被馈送到 VDD _,3.3V线路。因此，这种电流必须被系统“消耗”，如前一种情况所示。

图 5. 添加肖特基二极管，允许使用更小的电阻，从而提高带宽。

优点：

可实现更大的带宽。
注入输入引脚的电流可忽略不计。

缺点：

每个输入需要两个组件（电阻器和肖特基二极管）。
功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
输出过载（使用低值电阻）
如果 3.3V 系统的最小电流消耗非常低，则需要在 3.3V 电源上添加外部负载电阻。
由于电流注入，3.3V 电源上可能产生噪声。
仍然必须考虑二极管的电容。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

带有源钳位的串联电阻。

最好不要将输入电流重新导向 V _DD,3.3V_{，而是将其耗散至地，这样就不会发生 V DD,3.3V}电平变化。

图 6. PNP BJT 可用作有源钳位，通过将过量电流短路至地（而不是 3.3V）。

当输入电压大于 3.9V 时，PNP BJT 将一直导通。此解决方案允许使用较小的电阻器（更高的带宽）。

值得注意的是，仍有电流注入 V _DD,3.3V，但该电流将比流入 R _S_{的电流小hFE}倍。因此，在大多数情况下，不需要 R _LOAD。

另一个问题是，在某些 IC 上，当输入值低于 3.3V 水平 0.35V 时，保护二极管开始导通。在这种情况下，BJT 基极不应连接到 3.3V，而应连接到稍小的电压（如果系统可用）。

优点：

可实现更大的带宽。
非常小的电流注入3.3V电源线。
小电流注入输入引脚。

缺点：

每个输入需要两个组件（电阻器和 BJT）。
功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
输出过载（使用低值电阻）
如果 3.3V 系统的最小电流消耗极低，则可能仍需要在 3.3V 电源上添加外部负载电阻。
由于注入电流，3.3V 电源上仍然可能产生噪声。
在某些情况下，可能需要另一个电源（低于 3.3V）将电压钳位到输入保护二极管的导通电压以下。
仍然必须考虑 BJT 的电容。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。
钳位电压可能太高（约 3.9V）。可能需要另一个电压源（小于 3.3V）。

电阻器和齐纳二极管

我们可以使用齐纳二极管来代替 BJT，它将电压限制在 Vz 值。问题是低值齐纳二极管具有相当大的动态电阻，并且必须有大电流流入齐纳二极管，才能实际显示 Vz 值（几 mA）。

图 7. 3.3V 齐纳二极管可以钳位电压。

优点：

由于可以使用低值电阻，因此带宽类似于肖特基或有源钳位解决方案。
没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。
成本比 BJT 或肖特基更低。
钳位电压可以低于BJT。

缺点：

每个输入需要两个组件（电阻器和齐纳二极管）。
功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
输出过载（使用低值电阻）
仍然必须考虑二极管的电容。
输出电压不精确，因为一些低值齐纳二极管的动态电阻非常差。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

带上拉电阻的串联二极管。

如果您的 3.3V 系统接受高达 0.7V 的低电平输入电压，则可以使用普通的 1N4148 二极管，如下所示。如果您想要更高的噪声容限（或者如果 0.7V 太高），请使用肖特基二极管。

工作原理很简单：当 5V 系统输出 5V 时，二极管反向极化，因此是开路的。3.3V 系统的输入通过 R1 上拉到 3.3V。然后 5V 系统输出 0V，二极管正向偏置，因此 3.3V 输入处的电压将是二极管的正向压降：对于硅二极管，约为 0.6-0.7V，对于肖特基二极管，约为 0.35V。请记住使用快速信号二极管！（即不要使用 1N4007！）。

图 8. 串联开关二极管（例如 1N4148）阻断高电平电压。串联电阻上拉输出。

优点：

由于可以使用低值上拉电阻，因此带宽与肖特基钳位解决方案相似。
没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。

缺点：

每个输入需要两个组件（电阻器和二极管）。
功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
输出过载（使用低值电阻）
仍然必须考虑二极管的电容。
低电平输出电压为二极管的正向压降。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

电阻分压器

降低 5V 电压的一个简单方法是通过电阻分压器！

图 9. 电阻分压器。

相对于单个电阻，电阻分压器表现更好。给定相同的带宽，它相对于已经检查过的其他解决方案（直接连接除外！）消耗更少。

实际上，所有解决方案中的带宽均由时间常数 R _S C_寄生决定（还请注意，BJT 或二极管会增加 C_寄生！！！）。电流为 (5V-3.3V)/R _S。在电阻分压器上，电流为 (5V-3.3V)/R ₁。但是，分压器的带宽由时间常数 (R ₁ //R ₂ C_寄生) 决定。换句话说，如果 R _S =R ₁，则分压器上的带宽将更高。相反，如果带宽相同，电流将更小。

_R2的寄生电容仍然会影响带宽，但与二极管或 BJT 相比，影响要小得多。

优点：

在相同消耗的情况下比其他系统（直接连接除外）具有更好的带宽（或在相同带宽下具有更小的消耗）。
没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。
成本比 BJT、肖特基或齐纳二极管更低。
对称上升/下降时间。

缺点：

每个输入需要两个组件（两个电阻器）。
功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
输出过载（使用低值电阻）
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

BJT/MOSFET 作为逆变器

如果您可以接受反向信号，则可以使用 BJT 或 MOSFET。

图 10. BJT/MOSFET 作为逆变器可用作电平转换器。

带宽主要由上拉电阻和寄生电容（必须包括BJT/MOSFET的电容！）决定。

优点：

没有电流注入3.3V电源线。
无输出过载。
没有电流注入输入引脚。

缺点：

每个输入需要两个或三个组件（BJT/MOSFET 和一个或两个电阻器）。
高功耗（使用低值上拉电阻）
反相输出！
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

两个级联的 BJT/MOSFET 作为缓冲器。

你可以级联两个之前的 BJT/MOSFET 电阻反相器。这样输出就不会反相。

图 11. 您可以级联两个用 BJT 或 MOSFET 制成的逆变器并实现电平转换器。

优点：

没有电流注入3.3V电源线。
无输出过载。
没有电流注入输入引脚。
逻辑电平未反转。

缺点：

需要很多组件！
高功耗（使用低值上拉电阻）
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。
由于两个阶段的级联，带宽相对于前一种情况来说较小。

开漏极/集电极开路输出上的上拉电阻。

这仅当输出为开路集电极/漏极时才有效

图 12. 如果输出是开漏/集电极，则可以使用上拉电阻。

这与“BJT/MOSFET 作为逆变器”非常相似。由于输出是开漏，因此必须插入上拉电阻。

优点：

需要单个电阻。
没有电流注入引脚。
没有电流注入3.3V线路。

缺点：

功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

具有开路漏极/集电极输出的逻辑集成电路（缓冲器、门等）。

您可以连接开漏/集电极缓冲器/门 IC，以及上拉电阻，如下所示。缓冲器/门由 5V 供电，因此它将接受 5V。

图 13. 您可以添加一个以 5V 供电的门（例如 74HC09）或缓冲器（例如 74LS07），并带有开漏输出。

优点：

没有电流注入引脚。
没有电流注入3.3V线路。

缺点：

功耗高（使用低值电阻）或带宽较差（使用高值电阻）。
该解决方案需要一个缓冲器和一个电阻器。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

添加具有 5 V 容限输入的 3.3V 供电逻辑 IC（缓冲器、门等）。

您可以连接一个可承受 5V 电压、供电电压为 3.3V 的 IC，例如 SN74LV1T34。

图 14. 您可以添加一个 5 V 容限缓冲器（供电电压为 3.3V）。

优点：

没有电流注入引脚。
没有电流注入3.3V线路。
功率低。
快速地。
高噪声裕度。

缺点：

成本和空间

系列 MOSFET（共栅极配置）

我们可以使用共栅极配置，而不是使用共源配置的 MOSFET。MOSFET 实际上是串联的。MOSFET 必须是 2.5V 逻辑电平 MOSFET，否则它将无法工作。

图 15. 串联 MOSFET 可用作转换器。

该电路的工作原理如下。

当 V _IN为 5V 时，MOSFET 将关闭，因为 VGS = 0V（由 R2 约束）。当 V _IN为 0V 时，由于 MOSFET 的漏极寄生二极管，输出最初将变为 0.7V。因此，VGS 将变为 3.3V-0.7V = 2.6V。由于这是一个 2.5 V 逻辑电平 MOSFET，因此 MOSFET 将打开，实际上现在充当短路。输出将为 0V。

正如我们在“连接 3.3V 至 5V 系统”中展示的那样，该电路也可以双向工作，即将 3.3V 信号转换为 5V 信号！

优点：

没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。
同相输出。
可以双向。

缺点：

每个输入需要两个组件（MOSFET 和一个电阻器）。
高功耗（使用低值上拉电阻）
输出过载（使用低值上拉电阻）
仍必须考虑 MOSFET 的电容。
需要 2.5V 逻辑电平 MOSFET。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

系列 BJT（共基极配置）

也可以使用 BJT，但是发射极必须位于 5V 侧（MOSFET 的源极位于 3.3V 侧！）。

图 16. BJT 也可以用作串联转换器！

其工作原理如下：当输入为 5V 时，V _BE =-1.7，因此 BJT 为 OFF。3.3V 侧被上拉。当 V _IN为 0V 时，基极-发射极结将正向极化，BJT 将打开，将“0”逻辑电平传输到 3.3V 侧。

优点：

没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。
非反相输出。

缺点：

每个输入需要三个组件（BJT 和两个电阻器）。
高功耗（使用低值上拉电阻）
输出过载（使用低值上拉电阻）
仍然必须考虑 BJT 的电容。
V _CE,sat被添加到低值输出。
3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，例如CMOS）。

电平转换器

为了实现最快的速度、最低功耗和更好的信号电平，您可以使用电平转换器 IC，例如 74LVC8T245（8 位）或 74LVC1T45（1 位）。但它们成本高、占用空间，并且需要另外两个去耦电容器（原理图中未显示）。

通常电平转换器具有不同数量的输入/输出，它们也可以是双向的（由数据方向控制或自动）。

图 17. 电平转换器可提供最干净的信号，并具有最佳性能。但是，它会增加空间和成本。

优点：

没有电流注入3.3V电源线。
没有电流注入输入引脚。
非反相输出（也有反相转换器）。
无输出过载。
非常高的带宽。
信号水平良好。
收发器的输出也可以被加载。
静态功耗可忽略不计。

缺点：

成本（电平转换器比一对电阻器或一个 MOSFET/二极管贵得多）。
所需空间（特别是需要少量输入时）。

光耦合器/隔离器

当您需要连接两个独立的系统，或者需要在同一电路/系统的两个部分之间进行电气绝缘时，此技术尤其有用，推荐使用。处理远高于 5V（例如 24V）的电压时，它也非常有用。

请注意，这两个系统也可能共享同一接地，但是在这种情况下，您将失去它们之间的电气绝缘。

考虑到反相或非反相配置，共有 4 种变体。

在下面的示意图中，我们展示了一个带有晶体管输出的标准光耦合器。有些光耦合器已经提供了数字信号，在某些情况下，使用它们时不需要 Rpu（检查输出是否为开路集电极）。

最近，其他类型的隔离器也已面世。这些隔离器不是基于光学的，而是基于电容、巨磁阻或磁耦合。这些隔离器通常速度更快，但价格更昂贵。

在所有这些具有直接数字输出的光耦合器/隔离器中，只能使用反相和非反相配置的第一个版本（即，光耦合器连接在 3.3V 系统的输入和地之间）。

图 18. 使用光耦合器的两种非反相配置。请注意，如果光耦合器具有数字输出，例如 TLP2710（而不是原理图中所示的光电晶体管输出），则正确的非反相配置是第一个。在这种情况下，您还必须连接 VDD，并且不需要 Rpu。如果光耦合器具有数字输出但它是开路集电极（例如 TLP2719），则需要 Rpu。

图 19. 使用光耦合器的两种反相配置。请注意，如果光耦合器具有数字输出，例如 TLP2710（而不是原理图中所示的光电晶体管输出），则正确的反相配置是第一个。在这种情况下，您还必须连接 VDD，并且不需要 Rpu。如果光耦合器具有数字输出但它是集电极开路（例如 TLP2719），则需要 Rpu。

优点：