宣志斌，李 飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

1553B總線是美國國防部頒布的軍用航空總線標(biāo)準(zhǔn)，由于它采用指令/響應(yīng)式時分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，因此特別適用于那些對實時性操作要求高的控制領(lǐng)域，同時它具有通訊距離長、采用雙冗余總線可靠性高、可采用變壓器耦合和直接耦合方式連接、便于故障設(shè)備隔離等突出優(yōu)點，目前已由航空應(yīng)用領(lǐng)域向航天、船舶等各應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

針對航天應(yīng)用領(lǐng)域要求能夠考慮空間環(huán)境的特殊性，由于無大氣層及地球磁場保護(hù)，在外太空環(huán)境下航天器容易暴露在太陽風(fēng)以及宇宙射線的輻射下，主要是考慮總劑量輻射效應(yīng)及單粒子輻射效應(yīng)，針對這些效應(yīng)，我們設(shè)計了抗輻照的總線收發(fā)器，可作為1553B總線終端通訊的數(shù)模轉(zhuǎn)化接口應(yīng)用于抗輻照應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域。

2 電路功能及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1553B總線收發(fā)器通過隔離變壓器和耦合網(wǎng)絡(luò)與1553B數(shù)據(jù)總線連接，主要功能是接收總線差分信號，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字曼徹斯特數(shù)字碼，然后交給后端協(xié)議處理器電路解碼命令處理；此外，其可將1553B總線終端的數(shù)字消息轉(zhuǎn)化為模擬信號發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上，然后由相應(yīng)終端接收。1553B總線規(guī)定通訊速率為1 Mbit/s。

該電路的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個電路由發(fā)送器和接收器組成，且發(fā)送器的終端與接收器的輸入端連接。發(fā)送器由傳輸邏輯、波形控制及驅(qū)動單元組成，TXA/B和TXA/B為反向數(shù)字輸入端，TXINHA/B是控制發(fā)送使能信號，其中傳輸邏輯用于將協(xié)議處理器編碼好的曼徹斯特碼型數(shù)字消息轉(zhuǎn)換為控制信號，然后通過波形控制單元處理，可調(diào)整總線傳輸波形的變化率，即總線波形的上升下降時間等參數(shù)，最后通過驅(qū)動管對隔離變壓器進(jìn)行驅(qū)動輸出。接收器由于需要考慮總線傳輸過程出現(xiàn)的各種噪聲干擾信號，防止誤操作，因此在總線輸入前端設(shè)計了濾波器，以保證后端放大器電路能夠正常工作，比較器為雙路差分輸入比較器，其后輸出數(shù)字信號，經(jīng)接受邏輯通過邏輯運(yùn)算輸出數(shù)字曼徹斯特碼，供后端總線協(xié)議處理器接收處理，RXA/B和RXA/B為數(shù)字反向輸出端，RXENA/B為接收器輸入使能信號。

圖1 總線收發(fā)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電路設(shè)計及仿真

3.1 發(fā)送器波形斜率控制邏輯

圖2 斜率控制邏輯電路

由于MOS管的飽和電流與MOS管的柵電壓變化成平方關(guān)系，因此波形斜率原理是控制驅(qū)動MOS管的柵電壓變化率，采用阻容重放電方式進(jìn)行控制，由上面的2個PMOS管控制電容充電電流，下面的1個MOS管加電阻控制電容放電電流。

3.2 偏置電流及參考電壓電路設(shè)計

圖3 偏置電流及參考電壓邏輯圖

其參考電壓用于設(shè)計比較器比較點，采用簡單的比例電阻分壓，由于整個電路工作電壓是4.75～5.25 V，電源電壓變化不大，且接收電路比較器對比較電壓不要求很精確，所以采用這種方式可以消除電阻的溫漂以及抗輻照帶來的影響，工作性能穩(wěn)定可靠。

3.3 輸入濾波及比較器電路

圖4 輸入濾波及比較器電路

在接收器的輸入端采用了雙路放大器加四路比較器的設(shè)計方案，由于端口輸入開啟電壓需要設(shè)計到200～860 mV之間，通常設(shè)計到500～600 mV之間，處于該值以下的電壓波形通常認(rèn)為是總線噪聲信號或無效信號，為保證噪聲信號不被接收到，需要設(shè)計低通濾波器，而為了接收到微弱的正?？偩€信號，需要濾波器后端設(shè)計一個閉環(huán)3倍放大器，由于放大倍數(shù)要求不高，采用常用的差分CMOS運(yùn)放即可實現(xiàn)，同時為將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，后端設(shè)計四路兩對反向的比較器，然后交給解碼數(shù)字邏輯進(jìn)行處理。

3.4 端口及ESD電路

由于1553B總線通訊距離長，線路容易受到靜電影響，因此需要仔細(xì)設(shè)計電路的端口ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，在該電路中采用了典型的二極管反偏保護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 端口二極管ESD保護(hù)電路

3.5 電路仿真

為了保證整個系統(tǒng)的仿真精確性，有必要對隔離變壓器進(jìn)行Spice建模，由于變壓器中間接地，因此分為4端電感描述主次級線圈電感值，然后采用2個互感耦合器K1和K2定義主次級變壓器電感耦合系數(shù)，具體建模如圖6。

圖6 Spice建模

整個仿真過程采用Cadence自帶的Spectre軟件以及Synopsys公司的Hspice分別進(jìn)行仿真，頂層邏輯仿真圖如圖7所示。

圖7 頂層邏輯系統(tǒng)仿真圖

4 整體版圖及性能驗證

經(jīng)過電路流片及測試，電路整體抗ESD能力達(dá)到2 000 V以上，靜態(tài)電路3.2 mA，100%負(fù)載情況下動態(tài)電流530 mA，采用鈷60γ射線源進(jìn)行300 Krad(Si)輻照，輻照后電路靜態(tài)電路和動態(tài)電流均無明顯變化，取得了預(yù)想的抗輻照設(shè)計效果。

圖8 發(fā)送器仿真波形

圖9 接收器仿真波形

圖10 整體電路版圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一種抗輻照總線收發(fā)器的電路設(shè)計原理，同時對1553B總線收發(fā)器設(shè)計的各個要點進(jìn)行了分析，其采用電壓模驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)簡單，通過流片測試驗證，其滿足了抗輻照設(shè)計指標(biāo)要求，并且已應(yīng)用于1553B總線通訊系統(tǒng)中，取得了良好的使用效果。

[1]Behzad Razavi著，陳貴燦，程軍，張瑞智等譯. 模擬CMOS集成電路設(shè)計[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

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[3]Phillip E Allen, Douglas R Holberg著，馮軍，李智群譯.CMOS模擬集成電路設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]韓鄭生. 抗輻射集成電路概論[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5]MIL-STD-1553B[S]. Department of defence USA,1978.