5V↔3.3Vの双方向レベルシフタが必要になり「MOSFET一本で出来なかったっけ？」と思い出しながら、LTspiceを使って回路の動作を確認した。備忘録的にメモを残しておく。
MOSFET双方向レベルシフタの回路図
Nchの小信号用MOSFETを使った双方向レベルシフタは以下のようなシンプルな回路。
シミュレーション実行
3.3Vパルス入力→5Vパルス出力
3.3V系の方にパルス電圧を印加する場合。
パルス電圧とゲート-ソース間電圧、MOSFETのOn/Offは以下のような関係になる。
| 3.3Vパルス | ゲート-ソース間電圧 | MOSFETのOn/Off状態 |
|---|---|---|
| High | 0V | Off |
| Low | 3.3V | On |
動作としては以下のような感じ。
- 3.3VパルスがLowの時: MOSFETがOnするので、IO2とIO1が直結されて結果的にIO2もLowになる
- 3.3VパルスがHighの時: MOSFETがOffなので、IO2はプルアップされた電位5Vになる
シミュレーションを実行して確認。
5Vパルス入力→3.3Vパルス出力
5V系の方にパルス電圧を印加する場合。
この場合も、IO1とIO2のシミュレーション結果は上と同じグラフになる。
しかし、ゲート-ソース間電位がパルスに接続されていた上記パターンとは異なり、今回はドレイン電位が変わるためMOSFETのOn/Offに伴う現象がパッとは思いつかない…
この時何が起こっているかを明らかにするため、信号の立ち下がりを拡大したグラフを観察してみる。
IO2が5Vから立ち下がる時にMOSFETで起こる現象は以下の通り。
(Vf: ボディダイオードの順方向電圧、Vgs: ゲートしきい電圧)
| IO2の電位 | MOSFETのOn/Off状態 | ソース→ドレイン電流 | IO1の電位 |
|---|---|---|---|
| 3.3V-Vf以上 | Off | 流れない | 3.3V |
| 3.3V-Vgs以上、3.3V-Vf未満 | Off | ボディダイオード電流 | IO2の電位+Vf |
| 3.3V-Vgs未満 | On | オン電流 | Io2の電位 |
まとめ
MOSFET一本でレベルシフタが動作する原理を確認した。ゲート-ソース間に信号源が繋がる場合はともかく、逆の場合が謎だったのでシミュレーションで現象を確認出来てスッキリした。
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