私のMOSFETベースの双方向レベルシフターは正気ですか？

安さの瞬間、私はSparkfunに5vから3.3vのレベルシフターを注文せず、代わりに自分で組み立てることにしました。元の概略を使用BSS138 MOSFETを、私は私が使用することを決断した根管治療、限り約表面実装はんだ付けを楽しむため同様の見かけ上のMOSFETスルーホール実装され、私の好ましい供給者から容易に入手可能です。

この結果は次善でした。5Vのラインをグランドに引くと、すべてがうまくいきました-3.3V側は0.07Vになりました。しかし、3.3vをグランドに引くと、5vラインは4.14v付近を示しました（それ以外の場合は5.1vを超えるタッチでした）。関連するデータシートと、このテーマに関する元のフィリップスアプリケーションノートをよく読んで、ゲートしきい値電圧が問題であるという結論に達しました。

回路図を変更し、MOSFETのゲートを3.3vではなく5vに接続することにより、両側が正常に機能しているように見えます。どちらかの側を低く引くと、反対側が低くなります。しかし、私はこれが実際には正しいことだとは確信していません。元の回路図に対する私の理解は、賢明な意見を形成するほど深くはありません。

この修正された回路図は機能しますか、それとも私が見ている現在の良い結果は単なる吸虫または魔法の煙を放出する何かの前駆体ですか？

短い答え

• この回路では、Vth（MOSFETがオンになったばかりのゲートからソースへの電圧）が重要です。VthはVh-Vl = 5V-3.3V = 1.7Vよりも大幅に低くする必要があります。

  BSS138のVthは0.8 / 1.3 / 1.5分/標準/最大です。
  したがって、ここでは1.7> 1.5として概念的には「十分」ですが、そのマージンは不快なほど小さくなります。

  残念ながら、選択した選択肢はBSS138よりもさらに悪いものです。
  FQN1N60CのVthは2 /-/ 4 Vです。つまり、Vthが2Vの場合、必要な1.7Vよりも高く、このアプリケーションでは1.7Vをはるかに超える4VのVthを持つことができます。 。

  Digikeyに在庫されている許容可能な（ちょうど）TO92 MOSFETは、Zetex / Diodes Inc ZVNL110aです。
  これには、0.75 /-/ 1.5ボルトのVthがあります。これは、BSS138とほぼ同じです。

より長いです：

• BSS138は、比較的大きな塊です。それは場所を持っていますが、この回路での安全な機能を超えて広がっています。残念ながら、選択した代替手段であるFQN1N60Cはさらに悪いものです。

• 電圧LVをHVと同等の電圧に上げると、FQN1N60Cの高いVth値を克服できます。

元の回路の動作が悪い理由は、FQN1N60CがMOSFET技術の非常に残念な標本であるためです。また、修正された回路がうまく動作する理由は、FQN1N60CがMOSFETの芸術の非常に残念な標本でもあるためです。低Vth MOSFETは、元の回路では正常に動作し、改訂された回路では機能しません。

これは、元の回路ではFQN1N60C Vthが使用可能なVthに対して高すぎて、適切にオンになっていないためです。Vthが十分に低いMOSFETは、利用可能な電圧で適切にオンになります。修正された回路では、FQN1N60Cに動作状態で十分なゲート電圧を供給しましたが、意図せず動作するほどではありません。低Vth MOSFETを使用した場合、オフになるはずの運命電圧によってオンになり、回路が故障します。

回路は非常に賢いですが、その賢さは、TX_LVが低いときに駆動するのに十分なゲート電圧を持っているが、TC_LVが高いときにそれを駆動するのに十分な電圧がないMOSFETに依存します。通常、TX_LVが高い場合、LV = T_LVであるため、MOSFETはゲート電圧を認識しません。LVをHVに増やすことにより、TX_LVが高いときに（HV-LV）のゲート電圧を提供します。HV-LV = 5-3.3 = 1.7Vであるため、実際のVthは1.7Vを超えているため、FQN1N60Cは誤ってトリガーしません。

以下は、元のレベルシフター回路図です。

BSS138はNチャネルMOSFETです。そのため、ソースに対してゲートが正の場合に導通し、ドレインがソースよりも高くなるのが一般的です。Vdsが+ veの場合、内部ボディダイオードはブロックし、Vdsが負の場合に導通します。

TXLVおよびTXHVがハイの通常の動作では、ゲートはLV（元々3V3、ソースはTX_LV = 3.3であるためVgs = 0なのでFETはオフになります。
ソースはTX_LVでR3によってプルされます。

ロジック0を左から右に送信します。
TX_LVをローにします。ソース= 0V、ゲート= 3V3。Vgs = 3V3です。これは> Vth BSS138がオンになっているためです。ソース= 0VでFETがオンになると、TX_HVもLowになります。それは簡単でした:-)。

ロジック0を右から左に送信します。
TX_HVをローにします。ドレイン=0。ゲートはハード接続を介して3V3です。
ソース= 3V3（ただし、以下を参照）したがって：Vgs =0。FETはオフです。VDS = - 3V3。
ただし、BSS138には内部ダイオードSからDがあります。このダイオードは導通し、TX_LVをTX_HVを超えるダイオード降下まで引き下げます。
また簡単。

NOW BSS138をFQN1N60Cに置き換えます。
MOSFETのVthは、5Vから3V3の範囲で、>から>> 1.7Vのマージンです。
現在、ロジック0を左から右に送信すると、接地ソースはVgs = 3V3 = <4V最悪の場合を与えます。真のVthが1.7V付近にある場合、回路は一種の働きをします。

LVを5Vに上げると、Vgs = 5Vになります。
ただし、TX_LVが高い場合、0Vである必要があり、前にあったとしても、MOSFETへの5-3.3 = 1.7Vの駆動があります。

Vth <1,7VのMOSFETを交換すると、常にオンになります。すなわち、より良い品質のMOSFETはより悪く動作します（またはまったく動作しません）。「キュア」は、最初にVth <〜<< 1.7VのMOSFETを使用することです。