設(shè)計分析：9個案例5V→3.3V資料下載

技巧十一：5V→3.3V有源鉗位 使用二極管鉗位有一個問題，即它將向 3.3V 電源注入電流。在具有高電流 5V 輸出且輕載 3.3V 電源軌的設(shè)計中，這種電流注入可能會使 3.3V 電源電壓超過 3.3V。為了避免這個問題，可以用一個三極管來替代，三極管使過量的輸出驅(qū)動電流流向地，而不是 3.3V 電源。設(shè)計的電路如圖 11-1 所示。 Q1的基極-發(fā)射極結(jié)所起的作用與二極管鉗位電路中的二極管相同。區(qū)別在于，發(fā)射極電流只有百分之幾流出基極進(jìn)入 3.3V 軌，絕大部分電流都流向集電極，再從集電極無害地流入地?；鶚O電流與集電極電流之比，由晶體管的電流增益決定，通常為10-400，取決于所使用的晶體管。 技巧十二：5V→3.3V電阻分壓器 可以使用簡單的電阻分壓器將 5V 器件的輸出降低到適用于 3.3V 器件輸入的電平。這種接口的等效電路如圖 12-1 所示。 通常，源電阻 RS 非常小 （小于 10Ω），如果選擇的 R1 遠(yuǎn)大于RS 的話，那么可以忽略 RS 對 R1 的影響。在接收端，負(fù)載電阻 RL 非常大 （大于500 kΩ），如果選擇的R2遠(yuǎn)小于RL的話，那么可以忽略 RL 對 R2 的影響。 在功耗和瞬態(tài)時間之間存在取舍權(quán)衡。為了使接口電流的功耗需求最小，串聯(lián)電阻 R1 和 R2 應(yīng)盡可能大。但是，負(fù)載電容 （由雜散電容 CS 和 3.3V 器件的輸入電容 CL 合成）可能會對輸入信號的上升和下降時間產(chǎn)生不利影響。如果 R1 和 R2 過大，上升和下降時間可能會過長而無法接受。 如果忽略 RS 和 RL 的影響，則確定 R1 和 R2 的式子由下面的公式 12-1 給出。 公式 12-2 給出了確定上升和下降時間的公式。為便于電路分析，使用戴維寧等效計算來確定外加電壓 VA 和串聯(lián)電阻R。戴維寧等效計算定義為開路電壓除以短路電流。根據(jù)公式 12-2 所施加的限制，對于圖 12-1 所示電路，確定的戴維寧等效電阻 R 應(yīng)為 0.66*R1，戴維寧等效電壓 VA 應(yīng)為0.66*VS。 例如，假設(shè)有下列條件存在： ? 雜散電容 = 30 pF ? 負(fù)載電容 = 5 pF ? 從 0.3V 至 3V 的最大上升時間 ≤ 1 μs ? 外加源電壓 Vs = 5V 確定最大電阻的計算如公式 12-3 所示。 技巧十三：3.3V→5V電平轉(zhuǎn)換器 盡管電平轉(zhuǎn)換可以分立地進(jìn)行，但通常使用集成解決方案較受歡迎。電平轉(zhuǎn)換器的使用范圍比較廣泛：有單向和雙向配置、不同的電壓轉(zhuǎn)換和不同的速度，供用戶選擇最佳的解決方案。 器件之間的板級通訊 （例如， MCU 至外設(shè)）通過 SPI 或 I2C? 來進(jìn)行，這是最常見的。對于SPI，使用單向電平轉(zhuǎn)換器比較合適；對于 I2C，就需要使用雙向解決方案。下面的圖 13-1 顯示了這兩種解決方案。 模擬 3.3V 至 5V 接口的最后一項挑戰(zhàn)是如何轉(zhuǎn)換模擬信號，使之跨越電源障礙。低電平信號可能不需要外部電路，但在 3.3V 與 5V 之間傳送信號的系統(tǒng)則會受到電源變化的影響。例如，在 3.3V 系統(tǒng)中，ADC轉(zhuǎn)換1V峰值的模擬信號，其分辨率要比5V系統(tǒng)中 ADC 轉(zhuǎn)換的高，這是因為在 3.3V ADC 中，ADC 量程中更多的部分用于轉(zhuǎn)換。但另一方面，3.3V 系統(tǒng)中相對較高的信號幅值，與系統(tǒng)較低的共模電壓限制可能會發(fā)生沖突。 因此，為了補償上述差異，可能需要某種接口電路。本節(jié)將討論接口電路，以幫助緩和信號在不同電源之間轉(zhuǎn)換的問題。 技巧十四：3.3V→5V模擬增益模塊 從 3.3V 電源連接至 5V 時，需要提升模擬電壓。33 kΩ 和 17kΩ 電阻設(shè)定了運放的增益，從而在兩端均使用滿量程。11 kΩ 電阻限制了流回 3.3V 電路的電流。 技巧十五：3.3V→5V模擬補償模塊 該模塊用于補償 3.3V 轉(zhuǎn)換到 5V 的模擬電壓。下面是將 3.3V 電源供電的模擬電壓轉(zhuǎn)換為由 5V電源供電。右上方的 147 kΩ、 30.1 kΩ 電阻以及 5V 電源，等效于串聯(lián)了 25 kΩ 電阻的 0.85V 電壓源。這個等效的 25 kΩ 電阻、三個 25 kΩ 電阻以及運放構(gòu)成了增益為 1 V/V 的差動放大器。 0.85V等效電壓源將出現(xiàn)在輸入端的任何信號向上平移相同的幅度；以 3.3V/2 = 1.65V 為中心的信號將同時以 5.0V/2 = 2.50V 為中心。左上方的電阻限制了來自 5V 電路的電流。 技巧十六：5V→3.3V有源模擬衰減器 此技巧使用運算放大器衰減從 5V 至 3.3V 系統(tǒng)的信號幅值。 要將 5V 模擬信號轉(zhuǎn)換為 3.3V 模擬信號，最簡單的方法是使用 R1:R2 比值為 1.7:3.3 的電阻分壓器。然而，這種方法存在一些問題。 1）衰減器可能會接至容性負(fù)載，構(gòu)成不期望得到的低通濾波器。 2）衰減器電路可能需要從高阻抗源驅(qū)動低阻抗負(fù)載。 無論是哪種情形，都需要運算放大器用以緩沖信號。 所需的運放電路是單位增益跟隨器 （見圖 16-1）。 電路輸出電壓與加在輸入的電壓相同。 為了把 5V 信號轉(zhuǎn)換為較低的 3V 信號，我們只要加上電阻衰減器即可。 如果電阻分壓器位于單位增益跟隨器之前，那么將為 3.3V 電路提供最低的阻抗。此外，運放可以從3.3V 供電，這將節(jié)省一些功耗。如果選擇的 X 非常大的話， 5V 側(cè)的功耗可以最大限度地減小。 如果衰減器位于單位增益跟隨器之后，那么對 5V源而言就有最高的阻抗。運放必須從 5V 供電，3V 側(cè)的阻抗將取決于 R1||R2 的值。 技巧十七：5V→3.3V模擬限幅器