深入剖析 MOS 电平转换电路设计，规避潜在陷阱

在电子电路设计领域，MOS 电平转换电路是一种常见且重要的电路类型。其能够实现不同电平之间的转换，广泛应用于各种电子设备中。然而，在实际设计和应用过程中，往往会遇到一些问题，需要我们深入思考并加以解决。下面我们将详细探讨 MOS 电平转换电路的工作原理、实际应用中出现的问题以及相应的解决方法。

MOS 电平转换电路的背景与基本原理

基于 MOS 的电平转换电路在电子工程师中并不陌生，在网络上可以轻松找到大量相关资料。其基本模型如下图所示：

该电路的基本原理可以从两个方向进行分析：

1. 从 A 到 B 的转换

• 当 A 为高电平时，B 作为输入处于高阻态，此时 MOS 管关断，B 端通过上拉电阻，输出高电平。

• 当 A 为低电平时，MOS 管内的体二极管导通，使得 MOS 管的 S 极被拉低。考虑到体二极管的压降一般为 0.7V，Vgs = 3.3V - 0.7V = 2.6V。当 Vgs = 2.6V > Vgs (th)（MOS 管的导通阈值电压）时，MOS 管导通，B 端被拉低，输出低电平。这里需要注意的是，MOS 管的导通阈值电压一定要小于 2.6V。

• 当 A 为高阻态时，MOS 管关断，B 端通过上拉电阻，输出高电平。

2. 从 B 到 A 的转换

• 当 B 为高电平时，MOS 管关断，A 端通过上拉电阻，输出高电平。

• 当 B 为低电平时，Vgs = 3.3V > Vgs (th)，MOS 管导通，A 端被拉低，输出低电平。

• 当 B 为高阻态时，MOS 管关断，A 端通过上拉电阻，输出高电平。

实际应用中的问题与分析

在实际设计了一款如下的电路后，乍一看似乎没有问题，但在实际测试过程中，却发现了一些异常情况。

当模块 A 端配置为高阻态时，模块 A 和 B 端的低电平都出现了不正常的情况。实测值分别为：A 端电平为 0.7V，B 端电平为 0.5V。然而，当模块 A 配置为输出且输出为低时，情况却不正常。为了找出问题的根源，我们进行了一系列的测试和分析：

1. 断开模块 A，测量 MOS 管 2 端和 3 端的电压分别为：0.68V 和 0.49V，这个结果与上述测试现象一致。

2. 再断开模块 B，测量 MOS 管 2 端和 3 端的电压分别为：1.8V 和 3.3V，这个结果与理论分析的结果相同。

3. 连接上模块 A，断开模块 B，测量 MOS 管 2 端和 3 端的电压分别为：1.8V 和 3.3V，此时 2.1 节中出现的问题不再出现。

通过以上测试可以分析得出，出现问题的根本原因是模块 B 引起的。具体情况如下图所示：

当模块 B 有电流灌入时，3 端的电压为 0.5V，那么 R1047 的电流为 0.28mA。此时 MOS 管 Vgs = 1.3V，查看手册可知，其开启电压阈值在 0.8V - 1.4V 之间。此时 Vds 的电压为 0.2V，Vds Vgs - Vgs (th)，此时 MOS 处于可变电阻区。

在计算 Ron 电阻时，不能简单地参考手册上的数值，可以根据下式进行计算：

也可以参照手册上的图，大概估计 Ron 值在 20Ω 左右，电流在 10mA 左右。根据上述描述，在模块 B 端肯定是内部下拉，流入的电流为 0.28 + 10 = 10.28mA。因此模块 B 的下拉电阻为：Rpd = 0.5V / 10.28mA = 48.6Ω。这就导致了模块 A 端为高阻态的时候，模块 B 端电源为 0.5V。

总结与建议

通过对 MOS 电平转换电路在实际应用中出现问题的分析，我们可以得出以下结论和建议：

1. 当模块 A 为高阻态的时候，模块 B 的状态无法确定，并非如我们想象中的高电平，而是与模块 B 的上下拉情况有关。在设计时，应尽量避免出现模块 A 或者模块 B 的高阻态，以免引发电平输出不正常的问题。特别是在涉及复位信号的设计中，尤其需要注意这一点。

2. 当模块 B 为低电平时，此时 MOS 管 2 端和 3 端的电压差很小，压降也很小，3 端不会存在电流流进 B 端。经计算，压降为 48.6Ω x 0.28mA = 13mV，而实测值为 17mV，与分析结果基本一致。