如何將5V系統(tǒng)的輸出接到3.3V系統(tǒng)的輸入上呢

本文重點(diǎn)講解16種方法，統(tǒng)計(jì)如下：

直接連接（警告：僅使用 5V 容限輸入!!!）

串聯(lián)電阻器。

串聯(lián)電阻器具有外部肖特基二極管箝位，朝向3.3V線路。

帶上拉電阻的串聯(lián)二極管。

帶有源鉗位的串聯(lián)電阻器。

電阻和齊納二極管。

電阻分壓器。

BJT/MOSFET 作為逆變器。

兩個(gè)級(jí)聯(lián)雙極型晶體管/MOSFET 作為緩沖器。

漏極/集電極開路輸出上的上拉電阻。

增加具有漏極/集電極開路輸出的 5V 供電邏輯 IC（緩沖器、柵極等）。

增加具有 5V 容限輸入的 3.3V 供電邏輯 IC（緩沖器、柵極等）。

系列 MOSFET（通用柵極配置）。

雙極型晶體管系列（通用底座配置）。

電平轉(zhuǎn)換器。

光耦合器

1、直接連接（僅限于5V容限輸入）

最簡(jiǎn)單的方法是直接連接。

優(yōu)勢(shì)：

沒有額外的成本或空間

最快的解決方案

劣勢(shì)：

僅適用于 5V 容限器件

2、串聯(lián)電阻器

將5V連接至3.3V系統(tǒng)的第二種最簡(jiǎn)單方法是使用串聯(lián)電阻。

上圖串聯(lián)電阻器用于將一個(gè) 5V 輸出連接至一個(gè) 3.3V 輸入。輸入端必須有其保護(hù)二極管。 工作原理如下： 3.3V（非5V容限IC）的輸入通常由二極管保護(hù)：一個(gè)朝向VDD，另一個(gè)朝向GND，如下圖所示。這些二極管通常為關(guān)斷，因?yàn)樗鼈兌际欠聪蚱玫?。但是，如果嘗試輸入大于VDD，3.3V的電壓，它們會(huì)將輸入電壓箝位為VDD，3.3V（加上正向二極管電壓，通常為0.7V）。由于開關(guān)器件的電容耦合或振鈴，即使在僅3.3V的系統(tǒng)上，也可能發(fā)生大于VDD，3.3V的瞬態(tài)尖峰。

當(dāng)5V信號(hào)通過電阻饋送到輸入端時(shí)，二極管將導(dǎo)通：電阻限制流入引腳的電流，保護(hù)輸入。進(jìn)入引腳的最大電流有時(shí)會(huì)在數(shù)據(jù)表中注明，并且應(yīng)保持較低水平，原因有兩個(gè)：

除了漏電流外，沒有電流會(huì)流入引腳。由于閂鎖現(xiàn)象，可能會(huì)發(fā)生損壞。

流入輸入引腳的電流將從VDD引腳流出！如果這樣的電流太大，可能會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的VDD電壓，破壞IC。如果系統(tǒng)的電流消耗大于流入PIN的電流，那么應(yīng)該沒有問題。否則，建議在VDD，3.3V和GND之間放置一個(gè)虛擬負(fù)載。負(fù)載的值應(yīng)使其至少吸附流入所有輸入的電流。

要計(jì)算，只需將輸入電流視為I=（5V-3.3V）/RS。然后在VDD，3.3V和GND之間放置一個(gè)電阻，使其將吸收相同的電流I。換句話說：RLOAD = RS 3.3V （5V-3.3V） 或約 2 RS。如果有多個(gè)輸入，則必須相應(yīng)地降低 RLOAD。如果您的系統(tǒng)已經(jīng)從3.3V吸收“I”（例如，由于IC電流消耗或存在始終接通的LED），那么您可以省略或增加RLOAD。. 該解決方案還有另一個(gè)缺點(diǎn)：除非使用低值電阻，否則它會(huì)嚴(yán)重限制帶寬。事實(shí)上，輸入引腳和走線都會(huì)有一定的寄生電容.

優(yōu)勢(shì)：

簡(jiǎn)單的解決方案：每個(gè)輸入引腳只有一個(gè)電阻。

劣勢(shì)：

高功率使用率（使用低值電阻器）或低帶寬（高值電阻器）。

輸出過載（使用低值電阻器）

進(jìn)入輸入端的電流可能會(huì)導(dǎo)致鎖存。

如果 3.3V 系統(tǒng)具有非常低的最小電流消耗，則需要在 3.3V 電源上使用一個(gè)外部負(fù)載電阻器。

3.3V電源上可能由于電流注入而產(chǎn)生噪聲。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

3、串聯(lián)電阻器，帶有朝向 3.3V線路的外部肖特基二極管箝位

該電路與以前的解決方案類似，但可以實(shí)現(xiàn)更快的速度，因?yàn)榇蟛糠蛛娏鲗⒂尚ぬ鼗O管承載，而不是保護(hù)二極管。 這仍然有將電流饋送到VDD，3.3V線的缺點(diǎn)。因此，系統(tǒng)必須“消耗”這種電流，如前一種情況所示。

優(yōu)勢(shì)：

可實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。

注入輸入引腳的電流可忽略不計(jì)。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件（電阻和肖特基二極管）。

高功率使用率（使用低值電阻器）或低帶寬（高值電阻器）。

輸出過載（使用低值電阻器）

如果 3.3V 系統(tǒng)具有非常低的最小電流消耗，則需要在 3.3V 電源上使用一個(gè)外部負(fù)載電阻器。

3.3V電源上可能由于電流注入而產(chǎn)生噪聲。

還必須考慮二極管的電容。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

4、帶有源鉗位的串聯(lián)電阻器。

與其將輸入電流重定向到VDD，3.3V，不如將其耗散到地，這樣就不會(huì)發(fā)生VDD，3.3V電平變化。

當(dāng)輸入電壓大于3.9V時(shí)，PNP BJT將持續(xù)傳導(dǎo)。該解決方案允許使用更小的電阻（更高的帶寬）。 值得注意的是，仍然有電流注入VDD，3.3V，但是，這種電流將比流入RS的電流小很多倍。

另一個(gè)問題是，在某些IC上，當(dāng)輸入端的值比3.3V電平低至0.35V時(shí)，它們的保護(hù)二極管開始導(dǎo)通。在這種情況下，BJT基極不應(yīng)連接到3.3V，而應(yīng)連接到稍小的電壓（如果系統(tǒng)上可用）。

優(yōu)勢(shì)：

可實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。

注入3.3V電源線的電流非常小。

小電流注入輸入引腳。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件（電阻和雙極型晶體管）。

高功率使用率（使用低值電阻器）或低帶寬（高值電阻器）。

輸出過載（使用低值電阻器）

如果3.3V系統(tǒng)具有極低的最小電流消耗，則仍可能需要在3.3V電源上使用外部負(fù)載電阻。

由于電流注入3.3V電源，3.3V電源上仍可能存在噪聲。

在某些情況下，可能需要另一個(gè)電源（低于3.3V）將電壓箝位到輸入保護(hù)二極管的導(dǎo)通電壓以下。

BJT的電容仍然必須考慮在內(nèi)。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

箝位電壓可能過高（約3.9V）?？赡苄枰硪粋€(gè)電壓源（小于3.3V）。

5、電阻器和齊納二極管

我們可以不使用BJT，而是使用齊納二極管，它將電壓削波到Vz值。問題在于，低值齊納二極管具有相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)電阻，并且必須有大電流流入齊納二極管，才能實(shí)際顯示Vz值（幾mA）。

優(yōu)勢(shì)：

帶寬類似于肖特基或有源箝位解決方案，因?yàn)榭梢允褂玫椭惦娮琛?/p>

沒有電流注入3.3V電源線。

沒有電流注入輸入引腳。

比BJT或肖特基的成本更低。

箝位電壓可以低于BJT。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件（電阻和齊納二極管）。

高功率使用率（使用低值電阻器）或低帶寬（高值電阻器）。

輸出過載（使用低值電阻器）

還必須考慮二極管的電容。

輸出電壓并不精確，因?yàn)橐恍┑椭谍R納二極管的動(dòng)態(tài)電阻非常差。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

6、帶上拉電阻的串聯(lián)二極管。

如果您的3.3V系統(tǒng)接受高達(dá)0.7V的低電平輸入電壓，則可以使用普通的1N4148二極管，如下所示。如果您想要更大的噪聲裕量（或者如果只是0.7V太高），請(qǐng)改用肖特基二極管。 工作原理很簡(jiǎn)單：當(dāng)5V系統(tǒng)輸出5V時(shí)，二極管反極化，因此是開路的。3.3V系統(tǒng)的輸入通過R1被上拉至3.3V。然后5V系統(tǒng)輸出0V，二極管正向偏置，因此3.3V輸入端的電壓將是二極管的正向壓降：硅二極管約為0.6-0.7V，肖特基二極管約為0.35V。切記使用快速信號(hào)二極管?。床灰褂?N4007?。?/p>

優(yōu)勢(shì)：

帶寬類似于肖特基箝位解決方案，因?yàn)榭梢允褂玫椭瞪侠娮琛?/p>

沒有電流注入3.3V電源線。

沒有電流注入輸入引腳。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件（電阻和二極管）。

高功率使用率（使用低值電阻器）或低帶寬（高值電阻器）。

輸出過載（使用低值電阻器）

還必須考慮二極管的電容。

低電平輸出電壓是二極管的正向壓降。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

7、電阻分壓器

降低5V電壓的一種簡(jiǎn)單方法是通過電阻分壓器！

電阻分壓器相對(duì)于單個(gè)電阻表現(xiàn)更好。給定相同的帶寬，與已經(jīng)檢查過的其他解決方案相比，它消耗的更少（直接連接除外！）

優(yōu)勢(shì)：

相對(duì)于其他系統(tǒng)（直接連接除外）而言，在相同消耗（或相同帶寬下消耗較小）的帶寬更好。

沒有電流注入3.3V電源線。

沒有電流注入輸入引腳。

成本低于 BJT、肖特基或齊納。

對(duì)稱上升/下降時(shí)間。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件（兩個(gè)電阻）。

高功率使用率（使用低值電阻）或低帶寬（高值電阻）。

輸出過載（使用低值電阻器）

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

8、雙極型晶體管/MOSFET 作為逆變器

如果您可以接收反相信號(hào)，則可以使用BJT或MOSFET。

帶寬主要由上拉電阻和寄生電容（必須包括BJT/MOSFET的電容?。Q定。

優(yōu)勢(shì)：

沒有電流注入3.3V電源線。

無輸出過載。

沒有電流注入輸入引腳。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要兩個(gè)或三個(gè)元件（BJT/MOSFET和一個(gè)或兩個(gè)電阻器）。

高功耗（使用低值上拉電阻）

反轉(zhuǎn)輸出！

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

9、兩個(gè)級(jí)聯(lián)的雙極型晶體管/MOSFET作為緩沖器。

您可以級(jí)聯(lián)兩個(gè)以前的 BJT/MOSFET 電阻器逆變器。這樣，輸出就不會(huì)反轉(zhuǎn)。

優(yōu)勢(shì)：

沒有電流注入3.3V電源線。

無輸出過載。

沒有電流注入輸入引腳。

邏輯電平不會(huì)反轉(zhuǎn)。

劣勢(shì)：

需要很多組件！

高功耗（使用低值上拉電阻）

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

與前一種情況相比，帶寬較小，因?yàn)閮杉?jí)級(jí)聯(lián)。

10、開漏/耦合器輸出端上的上拉電阻

僅當(dāng)輸出為集電極/漏極開路時(shí)，此方法才有效。

這與“BJT/MOSFET作為逆變器”非常相似。由于輸出是漏極開路，因此必須插入一個(gè)上拉電阻。

優(yōu)勢(shì)：

需要單個(gè)電阻器。

沒有電流注入引腳。

沒有電流注入3.3V線路。

劣勢(shì)：

高功率使用率（使用低值電阻器）或低帶寬（高值電阻器）。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

11、邏輯IC（緩沖器、柵極等），具有漏極開路/集電極輸出。

您可以連接漏極開路/集電極緩沖器/柵極IC，外加一個(gè)上拉電阻，如下所示。緩沖器/柵極由5V供電，因此可接受5V。

優(yōu)勢(shì)：

沒有電流注入引腳。

沒有電流注入3.3V線路。

劣勢(shì)：

高功率使用率（使用低值電阻器）或低帶寬（高值電阻器）。

該解決方案需要一個(gè)緩沖器和一個(gè)電阻器。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

12、增加具有 5V 容限輸入的 3.3V 供電邏輯 IC（緩沖器、柵極等）

您可以連接一個(gè) 5V 容限 IC，供電電壓為 3.3V，例如 SN74LV1T34。

優(yōu)勢(shì)：

沒有電流注入引腳。

沒有電流注入3.3V線路。

低功耗。

快。

高噪聲裕量。

劣勢(shì)：

成本和空間

13、MOSFET 系列（通用柵極配置）

我們可以使用公共柵極配置，而不是在公共源配置中使用MOSFET。MOSFET實(shí)際上將是串聯(lián)的。MOSFET 必須是 2.5V 邏輯電平 MOSFET，否則將無法工作。

電路的工作原理如下。 當(dāng)Vin為5V時(shí)，MOSFET將關(guān)閉，因?yàn)閂GS = 0V（被R2束縛）。當(dāng)Vin為0V時(shí)，由于MOSFET的漏體寄生二極管，輸出最初將變?yōu)?.7V。因此，VGS將變?yōu)?.3V-0.7V = 2.6V。由于這是一個(gè)2.5V邏輯電平MOSFET，MOSFET將導(dǎo)通，現(xiàn)在有效地充當(dāng)短路。輸出為0V。 正如我們將在“連接3.3V至5V系統(tǒng)”中所示，該電路也可以雙向工作，即它將3.3V信號(hào)轉(zhuǎn)換為5V信號(hào)！

優(yōu)勢(shì)：

沒有電流注入3.3V電源線。

沒有電流注入輸入引腳。

非反相輸出。

可以是雙向的。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件（MOSFET和一個(gè)電阻器）。

高功耗（使用低值上拉電阻）

輸出過載（使用低值上拉電阻）

還必須考慮MOSFET的電容。

需要一個(gè) 2.5V 邏輯電平 MOSFET。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

14、雙極型晶體管系列（通用底座配置）

也可以使用BJT，但發(fā)射器必須在5V側(cè)（MOSFET的源極是在3.3V側(cè)！

其工作原理如下：當(dāng)輸入為5V時(shí)，VBE=-1.7，因此BJT為OFF。3.3V側(cè)上拉。當(dāng)VIN為0V時(shí)，基極-發(fā)射極結(jié)將正向極化，BJT將導(dǎo)通，將“0”邏輯電平傳輸?shù)?.3V側(cè)。

優(yōu)勢(shì)：

沒有電流注入3.3V電源線。

沒有電流注入輸入引腳。

非反相輸出。

劣勢(shì)：

每個(gè)輸入需要三個(gè)元件（BJT和兩個(gè)電阻）。

高功耗（使用低值上拉電阻）

輸出過載（使用低值上拉電阻）

BJT的電容仍然必須考慮在內(nèi)。

VCE，sat被添加到低值輸出中。

3.3V輸入必須具有高阻抗（小輸入泄漏，如CMOS）。

15、電平轉(zhuǎn)換器

為了實(shí)現(xiàn)最快的速度、最低的功耗和更好的信號(hào)電平，您可以使用電平轉(zhuǎn)換器 IC，如 74LVC8T245（8 位）或 74LVC1T45（1 位）。然而，它們成本很高，占用空間，并且需要另外兩個(gè)去耦電容（原理圖中未顯示）。 通常，電平轉(zhuǎn)換器具有不同數(shù)量的輸入/輸出，它們也可以是雙向的（由數(shù)據(jù)方向控制或自動(dòng)控制）。

優(yōu)勢(shì)：

沒有電流注入3.3V電源線。

沒有電流注入輸入引腳。

非反相輸出（也有反相轉(zhuǎn)換器）。

無輸出過載。

非常高的帶寬。

良好的信號(hào)水平。

收發(fā)器的輸出也可以加載。

靜態(tài)功耗可忽略不計(jì)。

劣勢(shì)：

成本（電平轉(zhuǎn)換器比一對(duì)電阻器或MOSFET/二極管貴得多）。

所需的空間（特別是在需要很少輸入的情況下）。

16、光耦合器/隔離器

當(dāng)您需要連接兩個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)，或者當(dāng)您需要在同一電路/系統(tǒng)的兩個(gè)部分之間進(jìn)行電氣絕緣時(shí)，這種技術(shù)特別有用，并推薦使用。當(dāng)處理遠(yuǎn)高于5V（例如24V）的電壓時(shí)，它也非常有用。 請(qǐng)注意，這兩個(gè)系統(tǒng)也可能共享相同的接地，但是，在這種情況下，您將失去它們之間的電氣絕緣。

在下面的原理圖中，我們展示了一個(gè)帶有晶體管輸出的標(biāo)準(zhǔn)光耦合器。有些光耦合器已經(jīng)提供了數(shù)字，并且在某些情況下不需要Rpu（檢查輸出是否為集電極開路）。

最近，其他類型的隔離器已經(jīng)問世。這些不是基于光學(xué)的，而是基于電容式，巨磁阻或磁耦合。這些通常更快，但要貴得多。 在所有這些具有直接數(shù)字輸出的光耦合器/隔離器中，只能使用反相和非反相配置的第一個(gè)版本（即光耦合器連接在3.3V系統(tǒng)的輸入和地之間）。

優(yōu)勢(shì)：

兩個(gè)系統(tǒng)之間的電氣絕緣。它不僅提供更好的噪聲性能，而且還提高了系統(tǒng)的安全性。

允許將任何電壓電平轉(zhuǎn)換為“任何”電壓電平。

通過正確選擇接地或電源（取決于配置），您可以實(shí)現(xiàn)其他類型的電壓轉(zhuǎn)換（例如-12V...+12V至0...3.3V轉(zhuǎn)換）。

劣勢(shì)：

它需要一個(gè)光耦合器。

標(biāo)準(zhǔn)光耦合器通常速度較慢。對(duì)于高數(shù)據(jù)速率，需要特殊的“高速”光耦合器。

由于內(nèi)部LED，電流消耗相對(duì)較高。

如果需要高帶寬，則功耗較高，因?yàn)槿绻枰^小的上升/下降時(shí)間，則Rpu/Rpd需要相當(dāng)小。

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審核編輯：劉清