一个MOS 电平转换电路引发的思考可避免更多的坑

1、背景

1.1 MOS电平转换电路

基于MOS的电平转换电路，大家都很了解，网上一搜可以发现很多，基本模型如下：

1.2 基本原理

1.从A到B

A为高电平时，B作为输入，此时为高阻态，MOS管关断，B端通过上拉，输出高电平；

A为低电平时，MOS管内的体二极管导通，使MOS管的S极被拉低，考虑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管导通，B端被拉低，输出低电平；（MOS管的导通阈值电压一定要小于2.6V）

A为高阻态时，MOS管关断，B端通过上拉，输出高电平。

2.从B到A

B为高电平时，MOS管关断，A端通过上拉，输出高电平；

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；

B为高阻态时，MOS管关断，A端通过上拉，输出高电平。

2、实际应用

2.1 实际电路中问题

设计了一款如下的电路，基本思路如下图所示，咋一看没什么问题。

实际测试过程中，当模块A端配置为高阻态时，发现模块A和B端的低电平都不正常，实测值分别为：A端电平为0.7V，B端电平为0.5V，模块A配置为输出，输出为低，为什么不正常呢？

2.2 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,这个结果有理论分析的结果相同。

（3）连接上模块A，断开模块A，测量MOS管2端和3端的电压分别为：1.8V和3.3V，2.1节出现的问题不在。

分析：出现2.1节的问题根本原因是模块B引起的。如下图所示：

a 模块B有电流灌入，其中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，开启电压阈值在0.8V~1.4V;此时Vds的电压为0.2V，Vds<Vgs-Vgs(th)，此时，MOS处于可变电阻区。

b 此时Ron电阻的计算不能参考手册上的计算，可以根据下式计算

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。

c 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。因此存在这个下拉电阻的缘故，使得模块A端为高阻态的时候，模块B端电源为0.5V

3、总结

（1）当模块A为高阻态的时候，模块B的状态无法确定，也不是想象中的高电平，而是跟模块B的上下拉有关，设计时避免出现模块A或者模块B的高阻态，引发电平输出不正常，特别是复位信号，尤其需要注意。

（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，压降很小，3端不会存在电流流进B端，压降为48.6Ωx0.28mA =13mV，实测17mV，与分析一一致。