【導(dǎo)讀】驅(qū)動(dòng)電路可以說(shuō)是每一個(gè)電子工程師的必修課。能夠應(yīng)用不同的電子元器件打造不同的驅(qū)動(dòng)電路更是重中之重。本文要介紹的是用三極管打造的3.3V-5V電平轉(zhuǎn)換電路，并分析了電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
圖1：3.3V-5V電平轉(zhuǎn)換電路
如上圖，左端接3.3V CMOS電平，可以是STM32、FPGA等的IO口，右端輸出為5V電平，實(shí)現(xiàn)3.3V到5V電平的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在來(lái)分析下各個(gè)電阻的作用(抓住的核心思路是三極管的Vbe導(dǎo)通時(shí)為恒定值0.7V左右)：假設(shè)沒(méi)有R87，則當(dāng)US_CH0的高電平直接加在三極管的BE上，>0.7V的電壓要到哪里去呢?假設(shè)沒(méi)有R91，當(dāng)US_CH0電平狀態(tài)不確定時(shí)，默認(rèn)是要Trig輸出高電平還是低電平呢?因此R91起到固定電平的作用。同時(shí)，如果無(wú)R91，則只要輸入>0.7V就導(dǎo)通三極管，門檻電壓太低了，R91有提升門檻電壓的作用(可參見第二小節(jié)關(guān)于蜂鳴器的分析)。但是，加了R91又要注意了：R91如果太小，基極電壓近似：
只有Vb>0.7V時(shí)才能使US_CH0為高電平時(shí)導(dǎo)通，上圖的Vb=1.36V。假設(shè)沒(méi)有R83，當(dāng)輸入U(xiǎn)S_CH0為高電平(三極管導(dǎo)通時(shí))，D5V0(5V高電平)直接加在三極管的CE級(jí)，而三極管的CE，三極管很容易就損壞了。
再進(jìn)一步分析其工作機(jī)理：當(dāng)輸入為高電平，三極管導(dǎo)通，輸出鉗制在三極管的Vce，對(duì)電路測(cè)試結(jié)果僅0.1V。當(dāng)輸入為低電平，三極管不導(dǎo)通，輸出相當(dāng)于對(duì)下一級(jí)電路的輸入使用10K電阻進(jìn)行上拉，實(shí)際測(cè)試結(jié)果為5.0V(空載)。請(qǐng)注意，對(duì)于大電流的負(fù)載，上面電路的特性將表現(xiàn)的不那么好，因此這里一直強(qiáng)調(diào)——該電路僅適用于10幾mA到幾十mA的負(fù)載的電平轉(zhuǎn)換。
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蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路
上面是從周立功的iMX283開發(fā)板上載下的電路，既可以是有源也可以是無(wú)源蜂鳴器。來(lái)分析下：計(jì)算下各處的電流(S9013的β=120，設(shè)蜂鳴器電流15mA)：輸入為高電平的門檻電壓計(jì)算為：
R1起到了提供門檻電壓的作用。
有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路區(qū)別主要在于無(wú)源蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管D1提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會(huì)有反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動(dòng)三極管，并干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的其它部分。而如果電路中工作電壓較大，要使用耐壓值較大的二極管，而如果電路工作頻率高，則要選用高速的二極管
設(shè)計(jì)這種電路的基本路子是：確定負(fù)載(蜂鳴器10mA~80mA)電流和輸入門檻電壓。依據(jù)1中的方法計(jì)算獲得R1與R2的值。針對(duì)下面的驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)載接的是紅外二極管，其串聯(lián)電阻是限流電阻，控制紅外發(fā)射強(qiáng)度。輸入連接到STM32的PWM功能普通IO口(設(shè)置推挽輸出)，COM口接輸出電壓5V。
圖2：ULN2x03驅(qū)動(dòng)電路
針對(duì)上面的電路測(cè)試(Power=5.0V)：
輸入3.3V，輸出0.6V；
輸入0V，輸出5.0V；
輸入不接，輸出5.0V；
所以，ULN2003/2803同樣可以用于電平轉(zhuǎn)換，那這是為什么呢？ULN2803/2003與三極管又有什么關(guān)系——其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就是兩個(gè)三極管。
圖3：ULN2803/2003
其結(jié)構(gòu)有3個(gè)特點(diǎn)：
輸出集電極開漏，因此可以自己接上拉電阻，將信號(hào)上拉到相應(yīng)的電平，ULN2803手冊(cè)上說(shuō)明能承受的最大電壓為50V。數(shù)據(jù)手冊(cè)上說(shuō)明在Ic=250mA時(shí)的輸入門檻電壓為VI(on)=2.7V。COM端接有一個(gè)反向二極管：接到輸出電源，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)等負(fù)載電感器件時(shí)能在上下電時(shí)提供電流回路保護(hù)電路;輸出電壓高于COM端電壓，則電壓會(huì)鉗制在VCOM+0.4V左右(這里的二極管壓降較小)。ULN2003與ULN2803的區(qū)別僅在于ULN2003只有8個(gè)通道，而ULN2803有9個(gè)通道。
相對(duì)于前面的自己搭建的三極管電路其具有更好的電流驅(qū)動(dòng)特性，因此前面的自己搭建的三極管電路適用于電平切換及小電流的驅(qū)動(dòng)，而ULN2803及ULN2003適用于更大電流的驅(qū)動(dòng)(Datasheet上說(shuō)最大驅(qū)動(dòng)電流能達(dá)到500mA左右)。因此常用ULN2803及ULN2003(還有其它的如75452、MC1413、L293D)提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力(電機(jī)、大型LED、繼電器等)。
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