详解经典的双向电平转换电路
今天我们来讨论一款经典的双向电平转换电路，相应电路如下图所示。
该电路的核心是一个n沟道增强型场效应管，其开关特性与npn三极管相似，以相应的开关电路为例，当输入为低电平“l”时，场效应管vt1处于截止状态，相当于一个处于断开状态的开关，如下图所示：
当输入为高电平“h”时，场效应管vt1处于导通状态，相当于一个处于闭合状态的开关，如下图所示：
对于电平转换应用电路，场效应管的选型参数主要关注栅-源电压（gate source voltage, vgs），其值不能过小，否则场效应管将由于vgs小于栅极阈值电压（gatethreshold voltage）而无法导通（或阻值较大）。某款场效应管的电气参数如下表所示，这意味着vgs不应该小于1.4v，为了电路工作稳定起见，最好保证不小于2.5v。
当然，vgs也不能过大，否则可能会击穿绝缘层而损坏场效应管。某款场效应管的电气参数如下表所示，这意味着vgs的绝对值不应该大于12v。
我们接下来分析一下双向电平转换电路的基本原理，首先看看从左向右的电平转换原理（3.3v转为5v）。当左侧d0输入高电平“h”时，由于vgs为0，所以vt1是不导通的，右侧d1被电阻r2上拉为高电平（5v），如下图所示。
当左侧d0输入低电平“l”时，由于vgs为3.3v，所以vt1处于导通状态，右侧d1被下拉至与d0相同的低电平，如下图所示：
再来看看从右向左的电平转换原理（5v转为3.3v）。假设左侧d0为高电平，当右侧d1输入高电平“h”时，由于vgs为0，所以vt1是不导通的，左侧d0被电阻r1上拉为高电平（3.3v），如下图所示。
当右侧d1输入高电平“h”时，转换过程需要细分为两个阶段。由于左侧d0初始为高电平“h”，vgs为0，所以vt1是不导通的，但由于场效应管有一个寄生二极管，它会将d0下拉至低电平（比d1高约一个二极管压降，此处暂定为0.7v），所以d0也算是低电平，如下图所示。
紧接着，此时vgs（3.3v-0.7v=2.6v）大于场效应管的栅极阈值电压而使vt1导通，d0的电平又被进一步降低（与d1基本没有差别），如下图所示。
很多读者可能对3.3v转5v没有什么疑问，但对于5v转3.3v却有点不解，为什么要假定d0为高电平“h”呢？ 因为这种电平转换电路通常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，也就是说，收发双方都只有灌电流能力，而没有拉电流能力，就相当于一个与公共地连接的开关，如下图所示。
也就是说，输入高电平“h”都是由电源通过上拉电阻提供的。在开漏或开集结构输出的双向总线中，高电平通常是空闲状态，典型的应用就是i2c总线（有关i2c总线的），如下图所示。
如果收发双方是推挽驱动（push-pull）结构方式，有可能会损坏收发芯片，因为会存在从电源到公共地的低阻路径，如下图所示。
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当左侧d0输入低电平“l”时，由于vgs为3.3v，所以vt1处于导通状态，右侧d1被下拉至与d0相同的低电平，如下图所示：
再来看看从右向左的电平转换原理（5v转为3.3v）。假设左侧d0为高电平，当右侧d1输入高电平“h”时，由于vgs为0，所以vt1是不导通的，左侧d0被电阻r1上拉为高电平（3.3v），如下图所示。
当右侧d1输入高电平“h”时，转换过程需要细分为两个阶段。由于左侧d0初始为高电平“h”，vgs为0，所以vt1是不导通的，但由于场效应管有一个寄生二极管，它会将d0下拉至低电平（比d1高约一个二极管压降，此处暂定为0.7v），所以d0也算是低电平，如下图所示。
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