北方工業(yè)大學信息學院 張?zhí)鞚?鮑嘉明

中國科學院自動化研究所 吳宗國

隨著科技的進步，通信對于日常生活越來越重要，RS-485標準由于其傳輸距離遠、傳輸距離快、適用性強的特點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等領域都有著較為廣泛的市場，收發(fā)器在RS-485標準的通信中具有關鍵作用，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)器的原理與電路設計，其采用5V電源供電，傳輸速率可以在250kbps與20Mbps之間進行選擇。

收發(fā)器的傳輸速度越快，要求驅動電路的擺率也就越大，由此帶來的電磁干擾就越大，因此想要應用于遠距離傳輸時需要對驅動電路的擺率進行限制，因此本文對RS-485收發(fā)器中的限擺率技術作為關鍵技術之一進行研究，并設計了擺率可選驅動電路，使其傳輸速率可通過外部引腳在250kbps與20Mbps之間進行選擇，從而既可以應用于遠距離傳輸也可應用于高速傳輸?shù)膽脠鼍爸?，使其具有更強的適用性。

1 整體電路結構

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電平轉換為0～5V的TTL電平。發(fā)送電路包括過溫保護電路、兩路反向的平衡驅動電路，其功能主要是將0～5V的TTL電平轉換為差分電平輸出，且可通過驅動電路進行限擺率，使傳輸速率在250kbps與20Mbps之間進行選擇。

圖1 限擺率RS-485收發(fā)器功能框圖

2 電路設計及仿真

2.1 接收電路設計

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)過輸入模塊實現(xiàn)降壓轉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，然后通過核心高速比較器比較降壓轉換后的差分信號，最后由輸出驅動模塊輸出標準邏輯電平。

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。

通過電阻R3令兩輸出端電流失配，當VCH=VCL時IXX>IYY，可以通過適當調整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，輸出結果頻繁跳變。

為避免輸入信號帶來的噪聲對輸出結果造成影響，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，使比較結果受到干擾。遲滯的實現(xiàn)是通過比較器的比較結果控制MOS管M1。當比較器輸出高電平時，M1導通，從而在比較器的正向端引入更大的電流失配，使得閾值電壓向負向偏離，從而得到-200mV的負向閾值電壓。當比較器輸出低電平時，MOS管M1關斷，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。

本設計中的遲滯比較器采用外部遲滯的帶有源負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VP>VM時，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VP＜VM時，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)送電路設計

如圖4為本文采用的過溫保護電路。該電路采用兩級運放構成的比較器，比較兩路具有不同溫度系數(shù)的電壓，通過合理調整器件參數(shù)，實現(xiàn)175℃的熱關斷，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均具有負溫度系數(shù)，但電阻的溫度系數(shù)更小，兩個支路電壓被差分輸入至比較器的輸入端，比較輸出結果。當芯片溫度保持在正常工作溫度時，Q4上壓降大于電阻R3～R6上壓降，比較器正相電壓小于負相電壓，比較器輸出低電平，通過反饋回路將M16導通，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關斷，電阻支路由R3～R6與R2同時工作，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再恢復工作，避免在溫度閾值附近芯片反復開關對芯片造成損傷。

圖4 過溫保護電路

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

由于驅動管的尺寸通常較大，因此驅動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，因此驅動管產(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所示中對驅動管使用電流鏡鏡像恒定電流驅動的方式對驅動電路的壓擺率進行限制。

圖5 電流鏡限流前級驅動

圖6所示為本文采用的驅動電路結構，采用高速通道與限擺率通道相互獨立的方式，當需要高速傳輸時通過關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動級中，而高速通道可以正常工作。當需要對驅動電路擺率進行限制時，通過將限擺率通道中的傳輸門導通，限擺率通道中的信號傳送至驅動級并輸出，而高速通道經(jīng)過邏輯電路最終借助與門使前級驅動輸出高阻態(tài)，使發(fā)送電路在250kbps的傳輸速率下工作。在對驅動電路進行設計時需要注意高速通道需要采用逐級驅動的方式，三級驅動之間采用1:3:9的比例，逐級提高驅動能力。此外還需注意兩個驅動管的導通順序，避免驅動級的P管與N管出現(xiàn)同時導通的現(xiàn)象。

圖6 驅動電路結構

3 電路仿真

在A、B兩端分別輸入周期為100ns，上升下降時間為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負載，如圖7為接收電路時序特性工藝角仿真圖，上升下降延時分別為13.2ns與13.3ns。

圖7 接收電路時序特性

圖8所示為在5V工作電壓下，掃描溫度為100℃～200℃，如圖7為過溫保護電路的仿真結果。在溫度上升至176℃時電路關斷，當溫度降低至156℃電路恢復工作，溫度遲滯為20℃。

圖8 過溫保護仿真

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間均為1ns的方波信號。圖9所示為20Mbps下發(fā)送電路的時序特性仿真圖像，上升時間與下降時間分別為6.2ns與6.05ns，延時分別為9.4ns與11.8ns，延時偏斜為2.4ns。圖10所示為250kbps傳輸速率下發(fā)送電路的時序特性仿真結果，上升時間與下降時間均為1069ns，延時分別為814ns與816ns，延時偏斜為2ns。

圖9 20Mbps下時序仿真

圖10 250kbps下時序仿真

通過仿真結果可以看出，所設計電路能夠滿足RS-485標準的要求。

本文設計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之間進行選擇，既可以用于高速傳輸也可以進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用。此外，為提高電路的可靠性，設計了一個過溫保護電路，當溫度上升至176℃以上時將發(fā)送電路關斷，溫度下降至156℃以下使電路恢復工作，對發(fā)送電路形成保護，避免溫度過高對芯片造成損傷。