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目前通用的串行通信接口標準主要有RS 232，RS 422和RS 485，其中RS 232屬于單端不平衡傳輸協議，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10 Mb/s，傳輸距離長2 000 m，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。由于該類電路的優異性能，RS 422接口芯片已廣泛應用于工業控制、儀器、儀表、多媒體網絡、機電一體化產品等諸多領域。 1 系統概述 RS 422通信接口芯片系統框圖如圖1所示，主要包含數據發送模塊和接收模塊。接收模塊主要是將通信總線差分電壓轉換成數字量送給主機，發送模塊主要是將主機發送的數字量轉換成差分電壓輸出。DIN是TTL/CMOS信號輸入端口，TX1，TX2為相應的差分信號輸出端。RX1，RX2為差分信號輸入端口，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芯片的工作與否。此外還含有溫控模塊，在高溫下關斷芯片，起到過熱保護的作用。 2 電路設計 根據RS 422通信規范的描述，數據發送端使用2根信號線發送同一信號(2根線的極性相反)，在接收端對這兩根線上的電壓信號相減得到實際信號。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。 因此，發送器的目的就是要接收TTL/CMOS信號并把他轉換為一對符合要求的差分信號，而接收器則與之相反。 2.1發送器電路的設計 發送器電路的設計有2種方法，一種不限擺率，發送數據速度可達10 Mb/s，但受信號在傳輸線上的反射(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，通過降低數據傳送速度達到長距離傳輸的目的。本文采取第一種方法。 在CMOS工藝下，這種電路很容易實現，關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所示為本文設計的電路圖，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為數據輸入端，EN為使能端，EN為高電平時電路工作。當DIN為高時，N0及N3導通而N1，N2截止，T1輸出高電平而T2輸出低電平。反之，若DIN為低時，N0及N3截止而N1，N2導通。這樣，邏輯控制電路便將標準的TTL/CMOS信號分為2路大小相等，相位相反的差分信號T1和T2。為提供合適的驅動電流，輸出管采用較大的尺寸。 2.2接收器電路設計 接收電路接收RS 422的標準差分信號并將其轉化為CMOs/TTL電平，其核心電路為一比較器，主要功能是完成差分信號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構成啟動電路，P12，P13與N12，N13，R0構成偏置電路，P0～P6與。N0～N5為比較電路，該比較器利用內部正反饋實現遲滯電壓控制，以防止受噪聲干擾造成輸出端的頻繁跳變。遲滯電壓可通過調節N0，N1，N2，N3的寬長比來實現。以N1，N2支路為例，闡述閾值電壓的推導：當R1為高，R2為低時，P1及N1，N2支路導通：R2不斷降低，與R1差值達到VTRP輸出跳變： 本文選擇100 mV的遲滯電壓，有效保證了系統的穩定性。由比較器輸出的電壓，經過施密特觸發器及反相器整形后，成為標準的方波信號輸出。 2.3過溫保護電路的設計 過溫保護電路如圖4所示。 電路中使用與發送電路中結構相同的遲滯比較器，設置了95℃和135℃兩個溫度跳轉點，消除了熱振蕩現象。 溫度保護電路的工作原理如下：N5，N6，P2，P3，P4， Q3，Q4及R4，R3，R1構成基準發生電路，Y為基準電壓輸出點。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發射極面積之比，取R2=R3，則： 基準電壓： 通過調節R2與R1的比值使基準電壓具有零溫度系數，調節R4的值使輸出合適的基準電壓值。 X點電壓大約為3VBE，由于VBE是一個具有負溫度系數的量，因此隨溫度的上升而下降。常溫時，X點電位高于Y點電位，OUT端輸出高電平，芯片正常工作。當溫度上升至135℃時，X點電位低于Y點電位，比較器輸出低電平，芯片關斷。當芯片溫度再次下降，低到95℃時，比較器再次翻轉，芯片恢復正常工作。 3 仿真結果 3.1發送電路的仿真 波形從上至下依次為：使能信號EN、輸入波形、TX1、TX2、負載電阻電流。從圖5中可以看出，發送器電路能夠將一路CMOS信號轉換為一對大小相等、方向相反的差分信號。在帶100 Ω負載時，輸出高電平為3 V，低電平0.3 v，負載電流27 mA，延遲9 ns上升時間4 ns，下降時間5 ns。使能信號EN為低時，電路不工作。 3.2接收電路的仿真 圖6給出了接收電路的仿真情況，他能夠將差分信號轉換為標準CMOS電平，延遲大約為2 ns，上升約為0.5 ns，下降時間約為1 ns，遲滯電壓約為1 00 mV。 3.3過溫保護模塊的仿真 對溫度保護電路在0～140℃范圍內進行掃描可得如上曲線，當芯片溫度上升至大約在135℃時，溫度保護模塊輸出低電平，關斷芯片。當芯片溫度下降至95℃時，溫度保護模塊輸出電平跳變，芯片恢復正常工作。 4 版圖設計 (1)為了防止電阻寄生的PN結正向導通，圖4比較電路中R1，R2，R3，R4不能選取有源區電阻，只能選取多晶硅電阻。繪制時要注意匹配，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境一樣，還在電阻陣列2邊增加了dummy電阻。 (2)對稱性設計：電路中所有對稱的MOS管及PNP管都要注意匹配，繪制版圖時，可以把一個大的MOS管分成若干小管，采用共質心對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。對于PNP管，如發射極面積比為1∶8的Q4和Q3，可采用1∶8的排列方式，即將Q3分成8個相同的PNP管，對稱排列在Q4周圍。 (3)ES[)設計：ESD不僅僅要在放在I/O PAD旁，VDD及GND之間的ESD保護同樣要引起高度注意，這可以通過添加sLtpply clamp電路實現。ESD器可采用LVTSCR結構以獲得更加穩定的性能。 (4)輸山功率管設計：對于驅動器部分的輸山火功率管，采用又指晶體管的設計方式，以減少漏源結面積和柵電阻。 (5)保護環設計：為保護一些結構，要在適當的電路外圍添加保護環。本芯片采用P襯底N阱工藝，有2種保護環，N阱的周圍應該加吸收少子電子的N型保護環(nt-ap)，ntap環接VDD，隔離襯底噪聲;P襯底的周圍應該加吸收少子空穴的P型保護環(ptap)，ptap環接gnd，吸收襯底噪聲。而且雙環對少子的吸收效果比單環好。添加保護環可有效防止閂鎖效應的發生。由于電路中功率管寬長比較大，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環。 5 結 語 設計了一款適用于RS 422通信協議的接口芯片，他具有高傳輸速率、大驅動電流、低靜態關斷電流的特點，且具有多種保護電路，能抵抗惡劣環境，可廣泛用于各類數據通信領域。 |
