Мой двунаправленный переключатель уровня на основе полевого МОП-транзистора безумен?

Короткий ответ

• В этой схеме Vth (напряжение затвор-исток, при котором полевой МОП-транзистор только что включается) имеет решающее значение. Vth должно быть существенно ниже, чем Vh-Vl = 5В - 3,3В = 1,7В.

  BSS138 имеет Vth 0,8/1,3/1,5 мин/тип./макс.
  Таким образом, хотя теоретически было бы «достаточно хорошо» здесь, поскольку 1,7> 1,5, этот запас неудобно мал.

  К сожалению, вариант, который вы выбрали, еще хуже, чем BSS138.
  FQN1N60C имеет Vth 2/-/4 В. Т.е. в лучшем случае Vth 2 В выше, чем требуемые 1,7 В, и он может иметь Vth до 4 В, что значительно больше, чем 1,7 В в этом приложении. .

  Приемлемым (просто) MOSFET TO92 на складе Digikey является Zetex/Diodes Inc ZVNL110a .
  Это имеет Vth 0,75/-/1,5 вольт. Это примерно то же самое, что и BSS138.

Длиннее:

• BSS138 — это относительно кусок хлама. У него есть свое место, но он выходит за пределы своих безопасных возможностей в этой цепи. К сожалению, альтернатива, которую вы выбрали, FQN1N60C, еще хуже.

• Ваше повышение напряжения LV до напряжения, эквивалентного HV, превышает высокое значение Vth FQN1N60C.

Причина, по которой ваша оригинальная схема работает плохо, заключается в том, что FQN1N60C является очень жалким образцом искусства MOSFET, а причина того, что ваша переработанная схема работает хорошо, также заключается в том, что FQN1N60C является очень жалким образцом искусства MOSFET. МОП-транзистор с низким значением V будет работать правильно в исходной схеме и не сработает в модифицированной.

Это связано с тем, что в исходной схеме FQN1N60C Vth слишком высок для доступного Vth и не включается должным образом. МОП-транзистор с достаточно низким Vth будет правильно включаться при доступном напряжении. В исправленной схеме вы обеспечили FQN1N60C достаточным напряжением затвора в рабочем состоянии, но не настолько большим, чтобы он срабатывал непреднамеренно. Если бы вы использовали полевой МОП-транзистор с низким Vth, он бы включился из-за доступного напряжения судьбы, когда он должен был быть выключен, и схема вышла бы из строя.

Схема чрезвычайно умна, НО ее хитрость зависит от MOSFET, имеющего достаточно напряжения затвора, чтобы управлять им, когда TX_LV низкий, но недостаточно напряжения, чтобы управлять им, когда TC_LV высокий. Обычно LV = T_LV, когда TX_LV высокий, поэтому MOSFET не видит напряжения затвора. Увеличивая LV до HV, вы обеспечиваете напряжение затвора (HV-LV), когда TX_LV имеет высокий уровень. Поскольку HV-LV = 5-3,3 = 1,7 В, FQN1N60C не дает ложных срабатываний, так как на практике Vth > 1,7 В.

Ниже приведена оригинальная схема переключателя уровня.

BSS138 представляет собой N-канальный МОП-транзистор, поэтому он проводит, когда его затвор положителен по отношению к истоку, обычно его сток выше, чем исток, а внутренний диод корпуса блокируется, когда Vds + ve, и проводит, когда Vds отрицателен. .

Нормальная работа
. При высоком уровне TXLV и TXHV затвор находится на уровне LV (первоначально 3V3, источник на TX_LV = 3,3, поэтому Vgs=0, поэтому полевой транзистор выключен.
Источник на TX_LV подтягивается туда резистором R3.

Отправьте логический 0 слева направо.
Потяните TX_LV на низкий уровень. Источник = 0В, затвор = 3В3. Итак, Vgs = 3V3. Поскольку это > Vth BSS138 включен. Поскольку источник = 0 В и полевой транзистор включен, TX_HV также будет переведен в низкий уровень. Это было легко :-).

Отправьте логический 0 справа налево.
Потяните TX_HV на низкий уровень. Сток = 0. Гейт 3V3 через хард соединение.
Источник = 3V3 (но см. ниже) Итак: Vgs = 0. Полевой транзистор выключен. Vдс = - 3V3.
НО BSS138 имеет внутренний диод от S до D. Теперь этот диод будет проводить, опуская TX_LV до уровня падения диода выше TX_HV.
Тоже легко.

ТЕПЕРЬ замените BSS138 на FQN1N60C.
Vth МОП-транзистора составляет от > до >> 1,7 В между 5 В и 3 В3.
Теперь при отправке логического 0 СЛЕВА НАПРАВО источник заземления дает Vgs = 3V3 = < 4V в худшем случае. Если истинное значение Vth составляет около 1,7 В, схема будет работать.

Повышение LV до 5V работает, так как теперь Vgs = 5V.
НО, когда TX_LV имеет высокий уровень, на MOSFET по-прежнему подается напряжение 5-3,3 = 1,7 В, хотя оно должно быть 0 В, и было раньше.

Если вы сейчас замените МОП-транзистор с Vth < 1,7 В, он всегда будет включен. т.е. более качественный MOSFET работает хуже (или вообще не работает). «Лекарство» состоит в том, чтобы сначала использовать MOSFET с Vth < до << 1,7 В.