什么是电平转换
电路小课堂，总结一下常用的电平转换电路。
前言
一、二极管电平转换电路
电路分析
二、三极管电平转换电路
2.1 电路一
电路分析
2.2 电路二
电路分析
三、mos管电平转换电路
电路分析
四、电平转换芯片
结语
前言
电路小课堂时间到，今天我们要聊的是 电平转换电路。
那么什么是电平转换？为什么需要电平转换？
简单说明一下，在我们设计的电路中，不同芯片的引脚使用的电压不同，比如常见的1.8v、3.3v、5v等，在两种不同电压芯片引脚之间进行通讯时候，我们需要使得两边的电平都符合自身的需求且能够进行正常的通讯，这就叫电平转换。
因为不同电压芯片之间的通讯存在电平不匹配的问题，同时如果通讯的两端压差过大也可能会损坏芯片引脚，所以我们需要进行电平转换。
一般来说，我们进行电平转换，主要考虑的有信号传输的速度以及信号的方向问题。
本文根据博主实际项目经验，总结一些我们常用的电平转换电路。
一、二极管电平转换电路
二极管电平转换电路，其实我自己并不常用，只是以前测试使用过：
使用此电路需要注意转换的方向，高电压端和低电压端不可调换。
电路分析
当输入端 3.3v_in 为低电平时，d1导通，输出端 1.8v_out 为低电平，实现两端都为低电平。
当输入端 3.3v_in 为高电平时，d1截止，输出端 被 r1 上拉至 1.8v ，为高电平，实现两端都为高电平。
因为确实没有实际产品用过，所以不太好评价 = =！。
二、三极管电平转换电路
三极管实现电平转换，有点类似二极管，一样需要注意方向。
2.1 电路一
第一种电路如下：
此例子为博主使用过的4g模块与 stm32 通讯使用过的电路。
上图中上面部分三极管基区的电压 vdd_ext 没用错，以上图为例，这个基区电压给 vdd_mcu 或者 vdd_ext 都是可以的。但是下面部分的电路三极管基区的电压必须是 vdd_ext 。
电路分析
当输入端为 低电平 0v的时候，三极管导通，输出端 与输入端导通，输出端被拉低到接近0v，实现两端都为低电平。
当输入端为 高电平的时候，三极管截止， 输出端 靠着上拉电阻（上图中的 r17、r19），变成高电平，实现两端都被高电平。
2.2 电路二
三极管电平转换电路第二种方式：
此例子为博主使用过的信号采集电路，外接的信号最高电压为1.8v，为了保证stm32能够稳定的接收到，使用此电路将外接的信号转化为稳定的高低电平。
电路分析
当输入 s_in 为低电平时，三极管 q1关断，三极管 q2 基极为高电平，导致 q2 导通，输出端 s_out被拉低，实现两端都为低电平。
当输入 s_in 为高电平 (vdd_ext) 时，三极管 q1 导通，三极管q2关断，输出端 s_out 被 r4 拉高到 vdd_mcu，实现两端都为高电平。
三极管电平转换电路，便宜实用，但是只能单向转化。而且不适用于波特率过高的应用（大概大于 400kbps 就不建议用了）。
三、mos管电平转换电路
讲过二极管，三极管，最后还是有mos管，不得不说mos在当下的应用之广泛，而且下面这个电平转换，是博主用得最多的，mos管双向电平转换电路：
此例子为博主使用过的1.8v单片机与 传感器 i2c 通讯电路。
注意事项：
1、该电路只能用于收发双方都是开集（open collector, oc）或开漏（open drain, od）结构输出的双向信号线。比如常见的i2c通讯。
2、vcc_s1 <= vcc_s2
3、mos管导通电压门限（vth(gs)里面的最大值）需要小于低电源电压。
电路分析
我们使用上图来简单分一下电路：
从左向右看
当 s1a 为高电平 (vcc_s1) 时候，mos管 vgs = 0， nm1 不导通，s2a 处电平被 r11 上拉为高电平(vcc_s2)，s2a也为高电平。两端都为高电平。当 s1a 为低电平 时候，mos管 vgs = vcc_s1， nm1 导通，s2a 的电平与 s1a相等，为低电平。两端都为低电平。
从右向左看
这里说明一下开漏输出，由于有上拉电阻，所以没有外部影响的正常情况下，s1a 和 s2a 默认都会是高电平。
当 s2a 为高电平 (vcc_s2) 时候：
假设左侧 s1a 为高电平（因为是开漏输出，所以左侧一般来说被 r10 上拉至高电平 (vcc_s1)，除非线上有低电平拉低，这里我们仍然分两种情况论），mos管 vgs = 0， nm1 不导通，左侧依然被r10 上拉至高电平 (vcc_s1)。两端都为高电平。
假设左侧 s1a 为低电平（正常不会发生，原因就是开漏输出），mos管 vgs = vcc_s1， nm1 导通，s2a 为高电平，所以会导致 s1a 电压上升，等 s1a 上升到 vcc_s1 的时候，nm1 截止，两端都变成高电平（除非开始使得 s1a 为低电平的外界因数一直存在，这是外部的问题不做过多讨论）。
当 s2a 为低电平时候：
正常情况下左侧 s1a 为高电平(vcc_s1)，mos管 vgs = 0， nm1 不导通，但是由于 mos 管的寄生二极管，会把 s1a 下拉至低电平（这个低电平不是0v，是比 s2a 高一个二极管压降，比如 0.7v），那么vgs =（vcc_s1 - 0.7v），使得 nm1导通，导通以后，那么 s1a 和 s1b 基本相等，两端都为低电平。
如果 s1a 开始就为低电平（正常不会发生），mos管 vgs = vcc_s1， nm1 导通，s2a 的电平与 s1a相等，为低电平。两端都为低电平。
最经典的电平转换电路，双向电平转换。常用于 i2c通讯。不能用于推挽输出的io口，mos管的选型需要注意 vgs(th)(开启电压) 要小于通讯两端的需要的电源电压。
四、电平转换芯片
电平转换芯片在我一般项目中用得倒不是很多，一般的项目应用上面的mos管电路已经可以满足需求。但是在一些高速通讯的场合，就需要用到专用的电平转换芯片。芯片有很多种，单向电平转换、带方向控制的双向电平转换、自动双向电平转换等，一般来说都用上芯片了，肯定会选择自动双向电平转换芯片，然后一些参数在芯片手册都会比较详细的给出，比如 ti 的 txs0108epwr：用法也是比较简单的：
成本相对前面较高，但是速度快，双向并且能够自动检测方向，高速低速场合都适用。如果对成本不敏感，电平转换芯片是最稳定可靠的方式。
结语
本文把单片机系统中常用的电平转换电路总结了一遍，同时对于他们的应用场合也给出了例子。
总的来说，本文还是比较简单！当然，博主的电路小课堂就是要把我们平时常用的一些电路做好总结分析，以便于自己和小伙伴们能够在需要的时候找到自己合适的电路。
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四、电平转换芯片
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那么什么是电平转换？为什么需要电平转换？
简单说明一下，在我们设计的电路中，不同芯片的引脚使用的电压不同，比如常见的1.8v、3.3v、5v等，在两种不同电压芯片引脚之间进行通讯时候，我们需要使得两边的电平都符合自身的需求且能够进行正常的通讯，这就叫电平转换。
因为不同电压芯片之间的通讯存在电平不匹配的问题，同时如果通讯的两端压差过大也可能会损坏芯片引脚，所以我们需要进行电平转换。
一般来说，我们进行电平转换，主要考虑的有信号传输的速度以及信号的方向问题。
本文根据博主实际项目经验，总结一些我们常用的电平转换电路。
一、二极管电平转换电路
二极管电平转换电路，其实我自己并不常用，只是以前测试使用过：
使用此电路需要注意转换的方向，高电压端和低电压端不可调换。
电路分析
当输入端 3.3v_in 为低电平时，d1导通，输出端 1.8v_out 为低电平，实现两端都为低电平。
当输入端 3.3v_in 为高电平时，d1截止，输出端 被 r1 上拉至 1.8v ，为高电平，实现两端都为高电平。
因为确实没有实际产品用过，所以不太好评价 = =！。
二、三极管电平转换电路
三极管实现电平转换，有点类似二极管，一样需要注意方向。
2.1 电路一
第一种电路如下：
此例子为博主使用过的4g模块与 stm32 通讯使用过的电路。
上图中上面部分三极管基区的电压 vdd_ext 没用错，以上图为例，这个基区电压给 vdd_mcu 或者 vdd_ext 都是可以的。但是下面部分的电路三极管基区的电压必须是 vdd_ext 。
电路分析
当输入端为 低电平 0v的时候，三极管导通，输出端 与输入端导通，输出端被拉低到接近0v，实现两端都为低电平。
当输入端为 高电平的时候，三极管截止， 输出端 靠着上拉电阻（上图中的 r17、r19），变成高电平，实现两端都被高电平。
2.2 电路二
三极管电平转换电路第二种方式：
此例子为博主使用过的信号采集电路，外接的信号最高电压为1.8v，为了保证stm32能够稳定的接收到，使用此电路将外接的信号转化为稳定的高低电平。
电路分析
当输入 s_in 为低电平时，三极管 q1关断，三极管 q2 基极为高电平，导致 q2 导通，输出端 s_out被拉低，实现两端都为低电平。
当输入 s_in 为高电平 (vdd_ext) 时，三极管 q1 导通，三极管q2关断，输出端 s_out 被 r4 拉高到 vdd_mcu，实现两端都为高电平。
三极管电平转换电路，便宜实用，但是只能单向转化。而且不适用于波特率过高的应用（大概大于 400kbps 就不建议用了）。
三、mos管电平转换电路
讲过二极管，三极管，最后还是有mos管，不得不说mos在当下的应用之广泛，而且下面这个电平转换，是博主用得最多的，mos管双向电平转换电路：
此例子为博主使用过的1.8v单片机与 传感器 i2c 通讯电路。
注意事项：
1、该电路只能用于收发双方都是开集（open collector, oc）或开漏（open drain, od）结构输出的双向信号线。比如常见的i2c通讯。
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从右向左看
这里说明一下开漏输出，由于有上拉电阻，所以没有外部影响的正常情况下，s1a 和 s2a 默认都会是高电平。
当 s2a 为高电平 (vcc_s2) 时候：
假设左侧 s1a 为高电平（因为是开漏输出，所以左侧一般来说被 r10 上拉至高电平 (vcc_s1)，除非线上有低电平拉低，这里我们仍然分两种情况论），mos管 vgs = 0， nm1 不导通，左侧依然被r10 上拉至高电平 (vcc_s1)。两端都为高电平。
假设左侧 s1a 为低电平（正常不会发生，原因就是开漏输出），mos管 vgs = vcc_s1， nm1 导通，s2a 为高电平，所以会导致 s1a 电压上升，等 s1a 上升到 vcc_s1 的时候，nm1 截止，两端都变成高电平（除非开始使得 s1a 为低电平的外界因数一直存在，这是外部的问题不做过多讨论）。
当 s2a 为低电平时候：
正常情况下左侧 s1a 为高电平(vcc_s1)，mos管 vgs = 0， nm1 不导通，但是由于 mos 管的寄生二极管，会把 s1a 下拉至低电平（这个低电平不是0v，是比 s2a 高一个二极管压降，比如 0.7v），那么vgs =（vcc_s1 - 0.7v），使得 nm1导通，导通以后，那么 s1a 和 s1b 基本相等，两端都为低电平。
如果 s1a 开始就为低电平（正常不会发生），mos管 vgs = vcc_s1， nm1 导通，s2a 的电平与 s1a相等，为低电平。两端都为低电平。
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结语
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