一種限擺率RS-485收發(fā)器設(shè)計(jì)

北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 張?zhí)鞚?鮑嘉明

中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所 吳宗國

隨著科技的進(jìn)步，通信對于日常生活越來越重要，RS-485標(biāo)準(zhǔn)由于其傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸距離快、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等領(lǐng)域都有著較為廣泛的市場，收發(fā)器在RS-485標(biāo)準(zhǔn)的通信中具有關(guān)鍵作用，因此對于RS-485收發(fā)器的研究具有重要意義。本文介紹了一款具有擺率選擇功能的RS-485收發(fā)器的原理與電路設(shè)計(jì)，其采用5V電源供電，傳輸速率可以在250kbps與20Mbps之間進(jìn)行選擇。

收發(fā)器的傳輸速度越快，要求驅(qū)動(dòng)電路的擺率也就越大，由此帶來的電磁干擾就越大，因此想要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)需要對驅(qū)動(dòng)電路的擺率進(jìn)行限制，因此本文對RS-485收發(fā)器中的限擺率技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了擺率可選驅(qū)動(dòng)電路，使其傳輸速率可通過外部引腳在250kbps與20Mbps之間進(jìn)行選擇，從而既可以應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸也可應(yīng)用于高速傳輸?shù)膽?yīng)用場景中，使其具有更強(qiáng)的適用性。

1 整體電路結(jié)構(gòu)

圖1所示為限擺率RS-485收發(fā)器功能框圖，其主要包括了發(fā)送電路與接收電路兩部分，接收電路包括輸入模塊、比較器，接收電路主要是將總線上-7～+12V的RS-485電平轉(zhuǎn)換為0～5V的TTL電平。發(fā)送電路包括過溫保護(hù)電路、兩路反向的平衡驅(qū)動(dòng)電路，其功能主要是將0～5V的TTL電平轉(zhuǎn)換為差分電平輸出，且可通過驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行限擺率，使傳輸速率在250kbps與20Mbps之間進(jìn)行選擇。

圖1 限擺率RS-485收發(fā)器功能框圖

2 電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 接收電路設(shè)計(jì)

接收電路通過輸入模塊將-7V～+12V的寬共模范圍的差分輸入信號經(jīng)過輸入模塊實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換從而將信號共模范圍降低至后續(xù)核心比較器的工作電平范圍內(nèi)，然后通過核心高速比較器比較降壓轉(zhuǎn)換后的差分信號，最后由輸出驅(qū)動(dòng)模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。

圖2所示為輸入模塊電路，其中Vref=（-7V～+12V）/2≈2.5V。

圖2 接收輸入模塊

使R1=190kΩ，R2=20kΩ，從而將共模范圍與差模信號縮小9.5倍，使其處于比較器的處理范圍內(nèi)。

通過電阻R3令兩輸出端電流失配，當(dāng)VCH=VCL時(shí)IXX>IYY，可以通過適當(dāng)調(diào)整R3的阻值改變正向閾值電壓的大小，使其得到-50mV的正向閾值電壓，可避免接收電路兩輸入端間發(fā)生短路或開路時(shí)，輸出結(jié)果頻繁跳變。

為避免輸入信號帶來的噪聲對輸出結(jié)果造成影響，因此在本模塊加入了比較器的外部遲滯功能，避免在閾值電壓附近受到噪聲影響，使比較結(jié)果受到干擾。遲滯的實(shí)現(xiàn)是通過比較器的比較結(jié)果控制MOS管M1。當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，M1導(dǎo)通，從而在比較器的正向端引入更大的電流失配，使得閾值電壓向負(fù)向偏離，從而得到-200mV的負(fù)向閾值電壓。當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，MOS管M1關(guān)斷，使比較器兩輸入端的電流失配完全由電阻R3提供，從而獲得-50mV的正向閾值電壓。

本設(shè)計(jì)中的遲滯比較器采用外部遲滯的帶有源負(fù)載的折疊式共源共柵比較器，采用差分輸入單端輸出的形式，如圖2為折疊共源共柵比較器電路圖。由于相比MOS管三極管具有較大的跨導(dǎo)使其具有較大的放大倍數(shù)，因此比較器采用三極管作為輸入對管。當(dāng)VP>VM時(shí)，IQ3>IQ4，IM10>IM11，經(jīng)過反相器整形后Z端輸出高電平；與之類似，當(dāng)VP＜VM時(shí)，Z端輸出低電平。

圖3 折疊共源共柵比較器電路圖

2.2 發(fā)送電路設(shè)計(jì)

如圖4為本文采用的過溫保護(hù)電路。該電路采用兩級運(yùn)放構(gòu)成的比較器，比較兩路具有不同溫度系數(shù)的電壓，通過合理調(diào)整器件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)175℃的熱關(guān)斷，其中，比較器采用差分輸入單端輸出形式，并由反相器整形輸出，此外，Vbe與電阻R3～R6均具有負(fù)溫度系數(shù)，但電阻的溫度系數(shù)更小，兩個(gè)支路電壓被差分輸入至比較器的輸入端，比較輸出結(jié)果。當(dāng)芯片溫度保持在正常工作溫度時(shí)，Q4上壓降大于電阻R3～R6上壓降，比較器正相電壓小于負(fù)相電壓，比較器輸出低電平，通過反饋回路將M16導(dǎo)通，使R2被短路，電阻支路只有電阻R3～R6工作。隨溫度逐漸上升至正常工作溫度范圍外，Q4上的壓降小于R3～R6上的壓降，比較器正相輸入電壓大于反相輸入電壓，比較器輸出高電平，從而將M16關(guān)斷，電阻支路由R3～R6與R2同時(shí)工作，通過加入電阻R2將比較器反相端電壓拉的更低，從而實(shí)現(xiàn)溫度遲滯的功能，使芯片需要待溫度降低至一定范圍內(nèi)再恢復(fù)工作，避免在溫度閾值附近芯片反復(fù)開關(guān)對芯片造成損傷。

圖4 過溫保護(hù)電路

限擺率電路是本文所設(shè)計(jì)電路中較為重要的部分，對于壓擺率的限制也就是對驅(qū)動(dòng)電路輸出信號的上升下降時(shí)間的限制，在RS-485標(biāo)準(zhǔn)中，串接54Ω電阻與50pF電容時(shí)，對輸出信號上升下降時(shí)間的要求為TR、TF≤0.3TUI，其中TUI為一個(gè)信號周期的時(shí)間長度。本設(shè)計(jì)限擺率時(shí)的傳輸速率為250kbps，一個(gè)信號周期時(shí)間長度為4000ns，因此通過上式可以得到，最大上升下降時(shí)間為1200ns。

由于驅(qū)動(dòng)管的尺寸通常較大，因此驅(qū)動(dòng)管的柵端通常會有較大的寄生電容，可以通過控制對柵端寄生電容充放電電流大小改變柵端電壓變化率的大小，從而改變壓擺率，防止電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）的干擾。由于電流鏡的阻抗較為穩(wěn)定，且其電流也相對穩(wěn)定，因此驅(qū)動(dòng)管產(chǎn)生的噪聲較小，輸出信號相對穩(wěn)定，不易產(chǎn)生亂碼，因此本文采用圖5所示中對驅(qū)動(dòng)管使用電流鏡鏡像恒定電流驅(qū)動(dòng)的方式對驅(qū)動(dòng)電路的壓擺率進(jìn)行限制。

圖5 電流鏡限流前級驅(qū)動(dòng)

圖6所示為本文采用的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，采用高速通道與限擺率通道相互獨(dú)立的方式，當(dāng)需要高速傳輸時(shí)通過關(guān)斷限擺率通道的傳輸門使限擺率通道的信號不會傳輸至驅(qū)動(dòng)級中，而高速通道可以正常工作。當(dāng)需要對驅(qū)動(dòng)電路擺率進(jìn)行限制時(shí)，通過將限擺率通道中的傳輸門導(dǎo)通，限擺率通道中的信號傳送至驅(qū)動(dòng)級并輸出，而高速通道經(jīng)過邏輯電路最終借助與門使前級驅(qū)動(dòng)輸出高阻態(tài)，使發(fā)送電路在250kbps的傳輸速率下工作。在對驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要注意高速通道需要采用逐級驅(qū)動(dòng)的方式，三級驅(qū)動(dòng)之間采用1:3:9的比例，逐級提高驅(qū)動(dòng)能力。此外還需注意兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管的導(dǎo)通順序，避免驅(qū)動(dòng)級的P管與N管出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

3 電路仿真

在A、B兩端分別輸入周期為100ns，上升下降時(shí)間為1ns，高低電平分別為+0.7V與-0.7V的互相反相方波信號，輸出端RO接15pF負(fù)載，如圖7為接收電路時(shí)序特性工藝角仿真圖，上升下降延時(shí)分別為13.2ns與13.3ns。

圖7 接收電路時(shí)序特性

圖8所示為在5V工作電壓下，掃描溫度為100℃～200℃，如圖7為過溫保護(hù)電路的仿真結(jié)果。在溫度上升至176℃時(shí)電路關(guān)斷，當(dāng)溫度降低至156℃電路恢復(fù)工作，溫度遲滯為20℃。

圖8 過溫保護(hù)仿真

在Y、Z端口間串接54Ω電阻，并在Y、Z與地之間串接100pF電容。在DI端口加入上升下降時(shí)間均為1ns的方波信號。圖9所示為20Mbps下發(fā)送電路的時(shí)序特性仿真圖像，上升時(shí)間與下降時(shí)間分別為6.2ns與6.05ns，延時(shí)分別為9.4ns與11.8ns，延時(shí)偏斜為2.4ns。圖10所示為250kbps傳輸速率下發(fā)送電路的時(shí)序特性仿真結(jié)果，上升時(shí)間與下降時(shí)間均為1069ns，延時(shí)分別為814ns與816ns，延時(shí)偏斜為2ns。

圖9 20Mbps下時(shí)序仿真

圖10 250kbps下時(shí)序仿真

通過仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)電路能夠滿足RS-485標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文設(shè)計(jì)了一種具有擺率可選功能的RS-485收發(fā)器，傳輸速率可以在250kbps與20Mbps之間進(jìn)行選擇，既可以用于高速傳輸也可以進(jìn)行限擺率傳輸以避免EMI帶來的干擾，從而具有更為廣泛的應(yīng)用。此外，為提高電路的可靠性，設(shè)計(jì)了一個(gè)過溫保護(hù)電路，當(dāng)溫度上升至176℃以上時(shí)將發(fā)送電路關(guān)斷，溫度下降至156℃以下使電路恢復(fù)工作，對發(fā)送電路形成保護(hù)，避免溫度過高對芯片造成損傷。