大家好，今天我们来讨论一个经典的双向电平转换电路，对应的电路如下图所示。
该电路的核心是一个N沟道增强型场效应管，其开关特性与NPN三极管相似。以相应的开关电路为例。当输入为低电平“L”时，FET VT1处于关断状态，相当于开关处于关断状态，如下图所示：
当输入为高电平“H”时，FET VT1处于导通状态，相当于开关处于闭合状态，如下图所示：
对于电平转换应用电路，场效应管的选择参数主要集中在栅源电压(VGS)上，其值不应太小，否则场效应管会因为VGS小于栅阈值电压而无法导通(或电阻较大)。一个FET的电参数如下表所示，这意味着VGS不应该低于1.4V为了电路稳定，最好保证不低于2.5V
当然，VGS不要太大，否则可能会突破绝缘层，损坏场效应管。场效应晶体管的电气参数如下表所示，这意味着VGS的绝对值不应大于12V。
接下来，我们分析双向电平转换电路的基本原理。首先，我们来看看电平从左向右移动(3.3V到5V)的原理。当高电平“H”输入到左侧D0时，由于VGS为0，VT1不导通，右侧D1被电阻R2拉高到高电平(5V)，如下图所示。
当左D0输入低电平“L”时，由于VGS为3.3V，VT1处于导通状态，右D1被下拉至与D0相同的低电平，如下图所示：
我们来看看电平从右向左移动(5V到3.3V)的原理。假设左侧D0为高电平，当右侧D1输入高电平“H”时，由于VGS为0，VT1不导通，左侧D0被电阻R1拉高到高电平(3.3V)，如下图所示。
当高电平“H”输入到右D1时，转换过程需要细分为两个阶段。因为左侧D0最初处于高电平“H”，VGS为0，所以VT1不导电。但是因为FET有寄生二极管，会把D0拉低到低电平(比D1高一个二极管压降左右，这里暂定为0.7V)，所以D0也被认为是低电平，如下图所示。
然后此时VGS(3.3V-0.7V=2.6V)大于FET的栅极阈值电压，使得VT1导通，D0的电平进一步降低(基本与D1相同)，如下图所示。
很多读者可能对3.3V到5V的转换没有疑问，但对5V到3.3V的转换有点疑惑，为什么要假设D0是高电平“H”？因为这种电平转换电路只能用于具有开路集电极(Open Collector，OC)或开路漏极(Open Drain，OD)输出的双向信号线，也就是说，接收机和发射机都只有吸电流的能力，而没有拉电流的能力，相当于一个连接到公共地的开关，如下图所示。
也就是说，输入高电平“h”由电源通过上拉电阻提供。在开漏或集电极开路结构输出的双向总线中，高电平通常为空闲，典型应用为I2C总线(I2C总线详见《显示器件应用分析精粹：从芯片架构到驱动程序设计》)，如下图所示。
如果发射器和接收器是推挽式结构，收发器芯片可能会损坏，因为从电源到公共地会有一条低电阻路径，如下图所示。关于开漏、集电极开路、推挽、吸拉电流等细节，请参考《三极管应用分析精粹：从单管放大到模拟集成电路设计》。