5V轉(zhuǎn)3.3V模擬限幅器

在將5V信號傳送給3.3V系統(tǒng)時，有時可以將衰減用作增益。如果期望的信號小于5V，那么把信號直接送入3.3VADC將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)換值。當(dāng)信號接近5V時就會出現(xiàn)危險(xiǎn)。所以，需要控制電壓越限的方法，同時不影響正常范圍中的電壓。這里將討論三種實(shí)現(xiàn)方法。

1.使用二極管，鉗位過電壓至3.3V供電系統(tǒng)。

2.使用齊納二極管，把電壓鉗位至任何期望的電壓限。

3.使用帶二極管的運(yùn)算放大器，進(jìn)行精確鉗位。

進(jìn)行過電壓鉗位的較簡單的方法，與將5V數(shù)字信號連接至3.3V數(shù)字信號的簡單方法完全相同。使用電阻和二極管，使過量電流流入3.3V電源。選用的電阻值必須能夠保護(hù)二極管和3.3V電源，同時還不會對模擬性能造成負(fù)面影響。如果3.3V電源的阻抗太低，那么這種類型的鉗位可能致使3.3V電源電壓上升。即使3.3V電源有很好的低阻抗，當(dāng)二極管導(dǎo)通時，以及在頻率足夠高的情況下，當(dāng)二極管沒有導(dǎo)通時（由于有跨越二極管的寄生電容），此類鉗位都將使輸入信號向3.3V電源施加噪聲。

為了防止輸入信號對電源造成影響，或者為了使輸入應(yīng)對較大的瞬態(tài)電流時更為從容，對前述方法稍加變化，改用齊納二極管。齊納二極管的速度通常要比第一個電路中所使用的快速信號二極管慢。不過，齊納鉗位一般來說更為結(jié)實(shí)，鉗位時不依賴于電源的特性參數(shù)。鉗位的大小取決于流經(jīng)二極管的電流。這由R1的值決定。如果VIN源的輸出阻抗足夠大的話，也可不需要R1。

如果需要不依賴于電源的更為精確的過電壓鉗位，可以使用運(yùn)放來得到精密二極管。電路如圖17-3所示。運(yùn)放補(bǔ)償了二極管的正向壓降，使得電壓正好被鉗位在運(yùn)放的同相輸入端電源電壓上。如果運(yùn)放是軌到軌的話，可以用3.3V供電。

由于鉗位是通過運(yùn)放來進(jìn)行的，不會影響到電源。

運(yùn)放不能改善低電壓電路中出現(xiàn)的阻抗，阻抗仍為R1加上源電路阻抗。

技巧十八：驅(qū)動雙極型晶體管

在驅(qū)動雙極型晶體管時，基極“驅(qū)動”電流和正向電流增益（Β/hFE）將決定晶體管將吸納多少電流。如果晶體管被單片機(jī)I/O端口驅(qū)動，使用端口電壓和端口電流上限（典型值20mA）來計(jì)算基極驅(qū)動電流。如果使用的是3.3V技術(shù)，應(yīng)改用阻值較小的基極電流限流電阻，以確保有足夠的基極驅(qū)動電流使晶體管飽和。

RBASE的值取決于單片機(jī)電源電壓。公式18-1說明了如何計(jì)算RBASE。

如果將雙極型晶體管用作開關(guān)，開啟或關(guān)閉由單片機(jī)I/O端口引腳控制的負(fù)載，應(yīng)使用較小的hFE規(guī)范和裕度，以確保器件完全飽和。

3V技術(shù)示例：

對于這兩個示例，提高基極電流留出裕度是不錯的做法。將1mA的基極電流驅(qū)動至2mA能確保飽和，但代價(jià)是提高了輸入功耗。

技巧十九：驅(qū)動N溝道MOSFET晶體管

在選擇與3.3V單片機(jī)配合使用的外部N溝道MOSFET時，一定要小心。MOSFET柵極閾值電壓表明了器件完全飽和的能力。對于3.3V應(yīng)用，所選MOSFET的額定導(dǎo)通電阻應(yīng)針對3V或更小的柵極驅(qū)動電壓。例如，對于具有3.3V驅(qū)動的100mA負(fù)載，額定漏極電流為250μA的FET在柵極-源極施加1V電壓時，不一定能提供滿意的結(jié)果。在從5V轉(zhuǎn)換到3V技術(shù)時，應(yīng)仔細(xì)檢查柵極-源極閾值和導(dǎo)通電阻特性參數(shù)，如圖19-1所示。稍微減少柵極驅(qū)動電壓，可以顯著減小漏電流。

對于MOSFET，低閾值器件較為常見，其漏－源電壓額定值低于30V。漏－源額定電壓大于30V的MOSFET，通常具有更高的閾值電壓（VT）。

如表19-1所示，此30VN溝道MOSFET開關(guān)的閾值電壓是0.6V。柵極施加2.8V的電壓時，此MOSFET的額定電阻是35mΩ，因此，它非常適用于3.3V應(yīng)用。

對于IRF7201數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)范，柵極閾值電壓較小值規(guī)定為1.0V。這并不意味著器件可以用來在1.0V柵-源電壓時開關(guān)電流，因?yàn)閷τ诘陀?.5V的VGS（th），沒有說明規(guī)范。對于需要低開關(guān)電阻的3.3V驅(qū)動的應(yīng)用，不建議使用IRF7201，但它可以用于5V驅(qū)動應(yīng)用。