印　琴，于宗光，*，魏敬和，，胡水根(.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫4; .中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫4035)

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一種3.3 V低電源電壓的1553B總線收發(fā)器設(shè)計(jì)*

印琴1，于宗光1，2*，魏敬和1，2，胡水根2
(1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214122; 2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035)

摘要:提出了一種基于1553B總線的收發(fā)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低壓單電源供電的1553B總線收發(fā)器，有效降低了收發(fā)器的動態(tài)功耗。仿真及測試結(jié)果表明，該電路能在3.3 V的低電壓下實(shí)現(xiàn)所有的收發(fā)功能，總線占空比為100%時(shí)的最大動態(tài)功耗僅為0.5 W，相比于5 V供電的1553B總線收發(fā)器，其動態(tài)功耗大約下降了1.7 W。該收發(fā)器采用0.5 μm DPTM BCD (15 V)工藝流片，并已成功應(yīng)用到低壓的1553B總線產(chǎn)品中。

關(guān)鍵詞:收發(fā)器;低功耗;低壓供電; 1553B總線

MIL－STD－1553B是美國軍方提出的一種在航空電子系統(tǒng)中為各種機(jī)載設(shè)備互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)。1553B總線以其高度的可靠性和靈活性在航空設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。航空事業(yè)的不斷發(fā)展，對低電壓1553B總線產(chǎn)品［1－3］提出了需求。

隨著3.3 V低壓的1553B總線協(xié)議處理器的廣泛應(yīng)用，需要3.3 V低電壓的1553B總線收發(fā)器與之匹配，這樣在同一塊PCB板上就能用3.3 V的單電源提供電壓，減小PCB板的面積。同時(shí)降低1553B收發(fā)器的電源電壓能有效降低功耗，從而延長1553B產(chǎn)品的使用壽命，節(jié)約成本。針對這一需求，我們設(shè)計(jì)出了一種低電壓的1553B總線收發(fā)器［7－8］。

項(xiàng)目來源:江蘇省333工程科研項(xiàng)目(BRA2011115)

1　電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能描述

本文設(shè)計(jì)的3.3V低電源電壓的1553B總線收發(fā)器包括了發(fā)送器、接收器及相關(guān)的配置和邏輯控制電路，電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［4］如圖1所示。

圖1　1553B總線收發(fā)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

收發(fā)器的發(fā)送器部分，接收一對曼徹斯特Ⅱ編碼互補(bǔ)數(shù)據(jù)信號TXIN和NTXIN，在使能信號TX_EN的控制下，經(jīng)過緩沖器、整形網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動電路的處理，在輸出端產(chǎn)生一對1553B總線的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號TXOUT 和NTXOUT，產(chǎn)生的差分輸出信號再經(jīng)過隔離變壓器，直接耦合或變壓器耦合到1553B數(shù)據(jù)總線上。

收發(fā)器的接收器部分，接收一對來自1553B總線的雙向調(diào)制曼徹斯特Ⅱ數(shù)據(jù)RXIN和NRXIN，經(jīng)過限幅電路、緩沖電路和濾波電路等進(jìn)行信號處理，在輸出端產(chǎn)生一對曼徹斯特Ⅱ編碼的互補(bǔ)數(shù)字信號RXOUT和NRXOUT［5－6］。

收發(fā)器的配置電路部分包括時(shí)鐘基準(zhǔn)和基準(zhǔn)電流源:時(shí)鐘基準(zhǔn)由多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)定時(shí)鐘脈沖，周期為240 ns;基準(zhǔn)電流源提供發(fā)送器和接收器所需鏡像電流基準(zhǔn)。其邏輯控制部分包括內(nèi)建自測試電路和移位寄存器電路:內(nèi)建自測試電路是在電路內(nèi)部增加附加電路，增加內(nèi)部電路的可控性和可觀測性，使電路易于測試;移位寄存器為42位，用以實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)電路部分的基準(zhǔn)電流源電流幅度的調(diào)節(jié)、直接對發(fā)送器輸出電流幅度的調(diào)節(jié)以及對接收器中可調(diào)電阻電路阻值的調(diào)節(jié)。

2　收發(fā)器的關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1發(fā)送器中關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

發(fā)送器的輸入信號為TTL電平，包括正向輸入端、反向輸入端和使能輸入端3個(gè)信號。由于在模擬電路中無法直接對數(shù)字邏輯電平進(jìn)行處理，因此需要先對輸入的TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)化。經(jīng)過初步轉(zhuǎn)化后的信號為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，整形電路主要實(shí)現(xiàn)對波形的調(diào)整，使之滿足輸出的曼徹斯特碼的要求。

圖2所示的是其中正向輸入信號通路中的最后一級整形電路和驅(qū)動電路。本文設(shè)計(jì)的發(fā)送器對波形的調(diào)整是通過各級電路依次進(jìn)行微調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)對整個(gè)波形的調(diào)整，使之滿足輸出的曼徹斯特碼的要求。另外，為了滿足輸出端所需要的驅(qū)動能力，在整形電路之后接有一個(gè)大的驅(qū)動MOS管，由MOS管的電流方程可知，驅(qū)動電流正比于MOS管的寬長比，所以增大MOS管的驅(qū)動能力，提高驅(qū)動電流，可通過調(diào)節(jié)MOS管的寬長比獲得。經(jīng)多次仿真調(diào)整，本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動管M16的寬長比最終確定為250 000∶1。如圖2所示，與M16相串聯(lián)的3個(gè)MOS 管M17、M18、M19在數(shù)字信號H、I、J的控制下選擇性導(dǎo)通，以配合M16調(diào)節(jié)驅(qū)動電流使得輸出信號TXOUT的波形平緩。

圖2　整形網(wǎng)絡(luò)電路

另外由圖2結(jié)合圖1可以看出，圖2整形網(wǎng)絡(luò)的輸出信號TXOUT后接的負(fù)載是變壓器，考慮到此發(fā)送器模塊是單電源3.3 V電壓供電，無法提供負(fù)電平，但為了使發(fā)送器輸出到變壓器上的電平達(dá)到7.4 V，本設(shè)計(jì)中采用變壓器互感的方法提供負(fù)電平。

2.2接收器中關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

接收器的輸入信號通過變壓器連接到1553B數(shù)據(jù)總線上，輸入信號的峰－峰值為10.6 V左右，而對于低壓3.3 V單電源供電的收發(fā)器而言，將未經(jīng)處理的曼徹斯特碼直接作為后續(xù)電路的輸入必然會引起電路穩(wěn)定性和可靠性的一系列問題，所以接收器需要先對輸入的曼徹斯特碼進(jìn)行限幅處理。

限幅電路如圖3所示。其中Bias為前級偏置電路產(chǎn)生的偏置電壓，RXIN和NRXIN為兩個(gè)數(shù)值相等、相位相反的曼徹斯特碼輸入信號，考慮RXIN相對為低電位，NRXIN為高電位的情況。當(dāng)RXIN的值足夠大時(shí)，三極管Q1和Q2的VBE必然大于三極管的開啟電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，而三極管Q3和Q4的VBE小于三極管的開啟電壓，所以截止。由偏置電路產(chǎn)生的偏置電壓通過M8、M10和M13構(gòu)成的電流鏡結(jié)構(gòu)為M3及M6提供相同的偏置電壓，同時(shí)由M9、M11、M12、Q5及Q6構(gòu)成的電流鏡結(jié)構(gòu)保證了流過Q1、Q2的電流為恒定值，又因?yàn)镼1、Q2與M1、M2、M3一起構(gòu)成的電流鏡結(jié)構(gòu)使得流過M2、M3的電流恒定，從而MOS管M2、M3上的壓降恒定，3.3V的電源電壓經(jīng)兩個(gè)恒定壓降的MOS管得到的輸出電壓隨之被限定在3.3 V以下。綜上所述，該限幅電路主要是利用了三極管的電壓鉗制作用對輸出電平進(jìn)行限幅的。

圖3　限幅電路邏輯

由于在接收器中限幅后產(chǎn)生的信號包含有較多的毛刺，為了有效的濾除限幅過程中帶來的毛刺，需要在限幅電路之后接入一個(gè)高階的低通濾波器。低通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是由兩個(gè)二階低通濾波器相級聯(lián)構(gòu)成的四階低通濾波器，其中接入濾波器的有效電阻值R1、R2、R3、R4受數(shù)字調(diào)制信號的控制，也就是說此濾波器的截止頻率可以通過數(shù)字調(diào)制信號加以改變。

圖4　濾波電路

3　電路仿真及流片

3.1電路仿真結(jié)果

基于上華0.5 μm DPTM BCD(15 V)工藝，我們采用Cadence的Spectre軟件結(jié)合Synopsys公司的Hspice軟件對1553B總線收發(fā)器進(jìn)行了功能仿真?？紤]到工藝庫中未提供隔離變壓器模型，在仿真之前需要對隔離變壓器進(jìn)行Spice建模，將隔離變壓器分為4端電感描述主次級線圈電感值，然后用兩個(gè)互感耦合器K1和K2定義主次級變壓器電感耦合系數(shù)。仿真時(shí)的全局電源電壓設(shè)為3.3 V，收發(fā)器的功能仿真波形如圖5所示，從仿真波形圖可以明顯看出，本文設(shè)計(jì)的1553B總線收發(fā)器能在3.3 V低壓下正常工作。

圖5　收發(fā)器的仿真波形

3.2版圖布局及流片測試結(jié)果

版圖設(shè)計(jì)是收發(fā)器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接決定芯片的成本和性能。圖6所示為本文設(shè)計(jì)收發(fā)器的整體版圖，版圖為兩路收發(fā)器的版圖，面積為4.9 mm×4.3 mm。電源對地采用漏端跨阱的NMOS器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。阱/襯底接觸設(shè)計(jì)成塊狀以增加接觸面積，為防止閂鎖效應(yīng)，阱內(nèi)外N－P管間距適當(dāng)加大。

圖6　收發(fā)器的電路版圖

芯片在上華成功流片后，采用示波器測得的收發(fā)器的發(fā)送器波形和接收器波形如圖7所示。其中圖7(a)是由1553B協(xié)議處理器送入發(fā)送器的一對曼徹斯特Ⅱ編碼互補(bǔ)數(shù)據(jù)信號TXIN和NTXIN的波形圖，圖7(b)是經(jīng)過發(fā)送器處理之后產(chǎn)生的輸出信號TXOUT的波形圖，同時(shí)也是接收器的輸入信號波形圖，圖7 (c)是接收器的輸出信號RXOUT、NRXOUT的波形圖。測得的波形圖表明接收器最終的輸出信號與1553B協(xié)議處理器送給發(fā)送器的輸入信號一致，表明本文設(shè)計(jì)的收發(fā)器很好的實(shí)現(xiàn)了3.3V低壓下的收發(fā)功能。

經(jīng)測試，其各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。表1給出了3.3 V和5 V兩種電源電壓下，變壓器耦合和直接耦合時(shí)收發(fā)器的上升下降時(shí)間的測試值、總線占空比分別為0%、25%、50%、100%時(shí)動態(tài)功耗的測試值，各測試值均在極限值范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1　收發(fā)器的部分性能參數(shù)

圖7　發(fā)送器和接收器的輸入輸出波形

將3.3 V電源電壓與5 V電源電壓下的動態(tài)功耗Pw進(jìn)行對比，可以看出總線占空比為100%時(shí)，5 V電源電壓下的動態(tài)功耗測試值為2.21 W，而3.3 V電源電壓下的動態(tài)功耗測試值僅為0.54 W，大約下降了1.7 W，其性能在功耗方面得到了很大的改善，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4　結(jié)束語

文中闡述了一種3.3 V低電源電壓的1553B總線收發(fā)器的設(shè)計(jì)。簡要介紹了收發(fā)器中整形電路、限幅電路、濾波電路的結(jié)構(gòu)及功能，并給出了電路的仿真及流片結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出本文設(shè)計(jì)的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了所有的收發(fā)功能，各項(xiàng)參數(shù)符合1553B總線規(guī)范，功耗大幅降低，能有效延長1553B產(chǎn)品的使用壽命，節(jié)約成本。

參考文獻(xiàn):

［1］周密，金惠華，尚利宏.1553B總線協(xié)議IP核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2007，30(1) : 334－338.

［2］宣志斌，李飛.一種抗輻照1553總線收發(fā)器設(shè)計(jì)［J］.電子與封裝，2013，9(4) : 22－24.

［3］鄧彬.1553總線收發(fā)器設(shè)計(jì)［D］.西安電子科技大學(xué)，2013.

［4］DDC.BU－6474X/6484X/6486X data sheet［EB/OL］.http: / / www.ddc－web.com，2011: 11－23.

［5］唐興剛，賀克軍.一款CAN總線收發(fā)器芯片的電路設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28(5) : 125－129.

［6］王宏莎.CAN總線收發(fā)器電路的設(shè)計(jì)與研究［D］.電子科技大學(xué)，2013.

［7］Zhou Li，An Junshe.Study on the Low Power Technologies of 1553B Bus［J］.Signal Processing，Communication and Computing，2013，10 (11) :1－5.

［8］李小娟，陳定安，崔一平.622 Mbit/s大氣激光通信機(jī)與10/ 100 Mbit/s自適應(yīng)收發(fā)器的設(shè)計(jì)及集成［J］.電子器件，2007，30(3) : 855－858.

印　琴(1989－)，女，漢族，江蘇泰興人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧呻娫O(shè)計(jì)，18352513607@ 163.com;

于宗光(1964－)，男，漢族，山東濰坊人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)開發(fā)，Yuzg58@ sina.com。

High-Speed Data Transceiver System Based on DDR2 SDRAM Ping-Pong Double Buffering

LIU Jie，SAI Jingbo*
(Beijing University of Technology，Beijing 100022，China)

Abstract:In the high-speed data transceiver system design，the first problem to be solved is the real-time data cache，However，the limited memory resources of FPGA can not meet the requirements of massive data cache，To solve the problem of system cache huge amounts of data，the system proposed ping-pong double buffering innovative design based on the DDR2 SDRAM.Design of two-way high-capacity asynchronous FIFO based on DDR2 SDRAM，selection logic operations to achieve a ping-pong between the two paths through the FPGA to achieve the cached data.Experimental results show that the Data transceiver system based on DDR2 SDRAM realized every road 512 Mbit cache space and 200 MHz of the bus rate and solved the problem of the huge amounts of data cache.

Key words:high-speed data transceiver system; ping-pong double buffering; DDR2 SDRAM Technology; asynchronous FIFO

中圖分類號:TN492

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0646－04

收稿日期:2014－07－10修改日期: 2014－11－15

doi:EEACC: 6210; 721010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.036