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RS 422通信接口芯片系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真研究

牽手一起夢(mèng) ? 來源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 作者:佚名 ? 2020-01-16 10:11 ? 次閱讀

目前通用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)主要有RS 232,RS 422和RS 485,其中RS 232屬于單端不平衡傳輸協(xié)議,傳輸距離短,抗干擾性差;RS 485與RS 422均為平衡通信接口,但RS 485他只有一對(duì)雙絞線,工作于半雙工模式。RS 422屬于一種平衡通信接口,采用全雙工通信模式,傳輸速率高達(dá)10 Mb/s,傳輸距離長(zhǎng)2 000 m,并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。由于該類電路的優(yōu)異性能,RS 422接口芯片已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。

1 、系統(tǒng)概述

RS 422通信接口芯片系統(tǒng)框圖如圖1所示,主要包含數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和接收模塊。接收模塊主要是將通信總線差分電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給主機(jī),發(fā)送模塊主要是將主機(jī)發(fā)送的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出。DIN是TTL/CMOS信號(hào)輸入端口,TX1,TX2為相應(yīng)的差分信號(hào)輸出端。RX1,RX2為差分信號(hào)輸入端口,DOUT為TTL/CMOS電平輸出口。EN為使能輸入端,通過使能模塊控制整個(gè)芯片的工作與否。此外還含有溫控模塊,在高溫下關(guān)斷芯片,起到過熱保護(hù)的作用。

2 、電路設(shè)計(jì)

根據(jù)RS 422通信規(guī)范的描述,數(shù)據(jù)發(fā)送端使用2根信號(hào)線發(fā)送同一信號(hào)(2根線的極性相反),在接收端對(duì)這兩根線上的電壓信號(hào)相減得到實(shí)際信號(hào)。邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2~6 V)表示,邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2~6 V)表示。

RS 422通信接口芯片系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真研究

因此,發(fā)送器的目的就是要接收TTL/CMOS信號(hào)并把他轉(zhuǎn)換為一對(duì)符合要求的差分信號(hào),而接收器則與之相反。

2.1發(fā)送器電路的設(shè)計(jì)

發(fā)送器電路的設(shè)計(jì)有2種方法,一種不限擺率,發(fā)送數(shù)據(jù)速度可達(dá)10 Mb/s,但受信號(hào)在傳輸線上的反射(re-flection)、電磁干擾(electron magnet interference)的影響,傳輸距離較短;另一種采取限擺率技術(shù),通過降低數(shù)據(jù)傳送速度達(dá)到長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪康模?]。本文采取第一種方法。

在CMOS工藝下,這種電路很容易實(shí)現(xiàn),關(guān)鍵是選擇具有合適尺寸的電路使其符合輸出電流及功率要求。如圖2所示為本文設(shè)計(jì)的電路圖,電路要求是輸出電平同TTL電平的兼容,所以輸功率管采用的都是NMOS管。

圖2中DIN為數(shù)據(jù)輸入端,EN為使能端,EN為高電平時(shí)電路工作。當(dāng)DIN為高時(shí),N0及N3導(dǎo)通而N1,N2截止,T1輸出高電平而T2輸出低電平。反之,若DIN為低時(shí),N0及N3截止而N1,N2導(dǎo)通。這樣,邏輯控制電路便將標(biāo)準(zhǔn)的TTL/CMOS信號(hào)分為2路大小相等,相位相反的差分信號(hào)T1和T2。為提供合適的驅(qū)動(dòng)電流,輸出管采用較大的尺寸。

RS 422通信接口芯片系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真研究

2.2接收器電路設(shè)計(jì)

接收電路接收RS 422的標(biāo)準(zhǔn)差分信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為CMOs/TTL電平,其核心電路為一比較器[3],主要功能是完成差分信號(hào)R1,R2的比較,若R1》R2,則輸出高電平1,若R1

如圖3所示,P14~P16與N14,N15構(gòu)成啟動(dòng)電路,P12,P13與N12,N13,R0構(gòu)成偏置電路,P0~P6與。N0~N5為比較電路,該比較器利用內(nèi)部正反饋實(shí)現(xiàn)遲滯電壓控制[4],以防止受噪聲干擾造成輸出端的頻繁跳變。遲滯電壓可通過調(diào)節(jié)N0,N1,N2,N3的寬長(zhǎng)比來實(shí)現(xiàn)。以N1,N2支路為例,闡述閾值電壓的推導(dǎo):當(dāng)R1為高,R2為低時(shí),P1及N1,N2支路導(dǎo)通:R2不斷降低,與R1差值達(dá)到VTRP輸出跳變:

RS 422通信接口芯片系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真研究

本文選擇100 mV的遲滯電壓,有效保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由比較器輸出的電壓,經(jīng)過施密特觸發(fā)器及反相器整形后,成為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)輸出。

2.3過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

過溫保護(hù)電路如圖4所示。

RS 422通信接口芯片系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真研究

電路中使用與發(fā)送電路中結(jié)構(gòu)相同的遲滯比較器,設(shè)置了95℃和135℃兩個(gè)溫度跳轉(zhuǎn)點(diǎn),消除了熱振蕩現(xiàn)象。

溫度保護(hù)電路的工作原理如下:N5,N6,P2,P3,P4, Q3,Q4及R4,R3,R1構(gòu)成基準(zhǔn)發(fā)生電路,Y為基準(zhǔn)電壓輸出點(diǎn)。由于共源共柵器件的作用,N5,N6源端電位近似相等,可得:

其中n為Q4,Q3發(fā)射極面積之比,取R2=R3,則:

基準(zhǔn)電壓[5]:

通過調(diào)節(jié)R2與R1的比值使基準(zhǔn)電壓具有零溫度系數(shù),調(diào)節(jié)R4的值使輸出合適的基準(zhǔn)電壓值。

X點(diǎn)電壓大約為3VBE,由于VBE是一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的量,因此隨溫度的上升而下降。常溫時(shí),X點(diǎn)電位高于Y點(diǎn)電位,OUT端輸出高電平,芯片正常工作。當(dāng)溫度上升至135℃時(shí),X點(diǎn)電位低于Y點(diǎn)電位,比較器輸出低電平,芯片關(guān)斷。當(dāng)芯片溫度再次下降,低到95℃時(shí),比較器再次翻轉(zhuǎn),芯片恢復(fù)正常工作。

3、 仿真結(jié)果

3.1發(fā)送電路的仿真

波形從上至下依次為:使能信號(hào)EN、輸入波形、TX1、TX2、負(fù)載電阻電流。從圖5中可以看出,發(fā)送器電路能夠?qū)⒁宦稢MOS信號(hào)轉(zhuǎn)換為一對(duì)大小相等、方向相反的差分信號(hào)。在帶100 Ω負(fù)載時(shí),輸出高電平為3 V,低電平0.3 v,負(fù)載電流27 mA,延遲9 ns上升時(shí)間4 ns,下降時(shí)間5 ns。使能信號(hào)EN為低時(shí),電路不工作。

RS 422通信接口芯片系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真研究

3.2接收電路的仿真

圖6給出了接收電路的仿真情況,他能夠?qū)⒉罘中盘?hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)CMOS電平,延遲大約為2 ns,上升約為0.5 ns,下降時(shí)間約為1 ns,遲滯電壓約為1 00 mV。

RS 422通信接口芯片系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真研究

3.3過溫保護(hù)模塊的仿真

對(duì)溫度保護(hù)電路在0~140℃范圍內(nèi)進(jìn)行掃描可得如上曲線,當(dāng)芯片溫度上升至大約在135℃時(shí),溫度保護(hù)模塊輸出低電平,關(guān)斷芯片。當(dāng)芯片溫度下降至95℃時(shí),溫度保護(hù)模塊輸出電平跳變,芯片恢復(fù)正常工作。

4 、版圖設(shè)計(jì)

(1)為了防止電阻寄生的PN結(jié)正向?qū)ǎ瑘D4比較電路中R1,R2,R3,R4不能選取有源區(qū)電阻,只能選取多晶硅電阻。繪制時(shí)要注意匹配,如采用1∶2∶4的匹配方式。為了保證所有電阻所處的光刻環(huán)境一樣,還在電阻陣列2邊增加了dummy電阻。

(2)對(duì)稱性設(shè)計(jì):電路中所有對(duì)稱的MOS管及PNP管都要注意匹配,繪制版圖時(shí),可以把一個(gè)大的MOS管分成若干小管,采用共質(zhì)心對(duì)稱的方式以避免工藝的橫向偏差和縱向偏差的影響,并添加dummy管。對(duì)于PNP管,如發(fā)射極面積比為1∶8的Q4和Q3,可采用1∶8的排列方式,即將Q3分成8個(gè)相同的PNP管,對(duì)稱排列在Q4周圍。

(3)ES[)設(shè)計(jì):ESD不僅僅要在放在I/O PAD旁,VDD及GND之間的ESD保護(hù)同樣要引起高度注意,這可以通過添加sLtpply clamp電路實(shí)現(xiàn)。ESD器可采用LVTSCR結(jié)構(gòu)以獲得更加穩(wěn)定的性能。

(4)輸山功率管設(shè)計(jì):對(duì)于驅(qū)動(dòng)器部分的輸山火功率管,采用又指晶體管的設(shè)計(jì)方式,以減少漏源結(jié)面積和柵電阻。

(5)保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì):為保護(hù)一些結(jié)構(gòu),要在適當(dāng)?shù)碾娐吠鈬砑颖Wo(hù)環(huán)。本芯片采用P襯底N阱工藝,有2種保護(hù)環(huán),N阱的周圍應(yīng)該加吸收少子電子的N型保護(hù)環(huán)(nt-ap),ntap環(huán)接VDD,隔離襯底噪聲;P襯底的周圍應(yīng)該加吸收少子空穴的P型保護(hù)環(huán)(ptap),ptap環(huán)接gnd,吸收襯底噪聲。而且雙環(huán)對(duì)少子的吸收效果比單環(huán)好。添加保護(hù)環(huán)可有效防止閂鎖效應(yīng)的發(fā)生。由于電路中功率管寬長(zhǎng)比較大,其上的電流及消耗的功率也較大,容易干擾其他電路,因此需要在功率管及附近的電路的周圍分別都添加保護(hù)環(huán)。

5 、結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一款適用于RS 422通信協(xié)議的接口芯片,他具有高傳輸速率、大驅(qū)動(dòng)電流、低靜態(tài)關(guān)斷電流的特點(diǎn),且具有多種保護(hù)電路,能抵抗惡劣環(huán)境,可廣泛用于各類數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。

責(zé)任編輯:gt

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