5V轉(zhuǎn)3.3V模擬限幅器

在將5V信號(hào)傳送給3.3V系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)可以將衰減用作增益。如果期望的信號(hào)小于5V，那么把信號(hào)直接送入3.3VADC將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)換值。當(dāng)信號(hào)接近5V時(shí)就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。所以，需要控制電壓越限的方法，同時(shí)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(guò)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(guò)電壓鉗位的最簡(jiǎn)單的方法，與將5V數(shù)字信號(hào)連接至3.3V數(shù)字信號(hào)的簡(jiǎn)單方法完全相同。使用電阻和二極管，使過(guò)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(shí)還不會(huì)對(duì)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(shí)，以及在頻率足夠高的情況下，當(dāng)二極管沒(méi)有導(dǎo)通時(shí)（由于有跨越二極管的寄生電容），此類鉗位都將使輸入信號(hào)向3.3V電源施加噪聲。

為了防止輸入信號(hào)對(duì)電源造成影響，或者為了使輸入應(yīng)對(duì)較大的瞬態(tài)電流時(shí)更為從容，對(duì)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(gè)電路中所使用的快速信號(hào)二極管慢。不過(guò)，齊納鉗位一般來(lái)說(shuō)更為結(jié)實(shí)，鉗位時(shí)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(guò)電壓鉗位，可以使用運(yùn)放來(lái)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(guò)運(yùn)放來(lái)進(jìn)行的，不會(huì)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(dòng)雙極型晶體管

在驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管時(shí)，基極“驅(qū)動(dòng)”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(dòng)，使用端口電壓和端口電流上限（典型值20mA）來(lái)計(jì)算基極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shuō)明了如何計(jì)算RBASE。

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

3V技術(shù)示例：

對(duì)于這兩個(gè)示例，提高基極電流留出裕度是不錯(cuò)的做法。將1mA的基極電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(duì)于3.3V應(yīng)用，所選MOSFET的額定導(dǎo)通電阻應(yīng)針對(duì)3V或更小的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。例如，對(duì)于具有3.3V驅(qū)動(dòng)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(shí)，不一定能提供滿意的結(jié)果。在從5V轉(zhuǎn)換到3V技術(shù)時(shí)，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(dòng)電壓，可以顯著減小漏電流。

對(duì)于MOSFET，低閾值器件較為常見(jiàn)，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(kāi)關(guān)的閾值電壓是0.6V。柵極施加2.8V的電壓時(shí)，此MOSFET的額定電阻是35mΩ，因此，它非常適用于3.3V應(yīng)用。

對(duì)于IRF7201數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)范，柵極閾值電壓最小值規(guī)定為1.0V。這并不意味著器件可以用來(lái)在1.0V柵-源電壓時(shí)開(kāi)關(guān)電流，因?yàn)閷?duì)于低于4.5V的VGS（th），沒(méi)有說(shuō)明規(guī)范。對(duì)于需要低開(kāi)關(guān)電阻的3.3V驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，不建議使用IRF7201，但它可以用于5V驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。