RS 422通信接口芯片系统电路的设计及实验仿真研究

目前通用的串行通信接口标准主要有RS 232，RS 422和RS 485，其中RS 232属于单端不平衡传输协议，传输距离短，抗干扰性差;RS 485与RS 422均为平衡通信接口，但RS 485他只有一对双绞线，工作于半双工模式。RS 422属于一种平衡通信接口，采用全双工通信模式，传输速率高达10 Mb/s，传输距离长2 000 m，并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。由于该类电路的优异性能，RS 422接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。

1 、系统概述

RS 422通信接口芯片系统框图如图1所示，主要包含数据发送模块和接收模块。接收模块主要是将通信总线差分电压转换成数字量送给主机，发送模块主要是将主机发送的数字量转换成差分电压输出。DIN是TTL/CMOS信号输入端口，TX1，TX2为相应的差分信号输出端。RX1，RX2为差分信号输入端口，DOUT为TTL/CMOS电平输出口。EN为使能输入端，通过使能模块控制整个芯片的工作与否。此外还含有温控模块，在高温下关断芯片，起到过热保护的作用。

2 、电路设计

根据RS 422通信规范的描述，数据发送端使用2根信号线发送同一信号（2根线的极性相反），在接收端对这两根线上的电压信号相减得到实际信号。逻辑“1”以两线间的电压差为+（2～6 V）表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-（2～6 V）表示。

因此，发送器的目的就是要接收TTL/CMOS信号并把他转换为一对符合要求的差分信号，而接收器则与之相反。

2.1发送器电路的设计

发送器电路的设计有2种方法，一种不限摆率，发送数据速度可达10 Mb/s，但受信号在传输线上的反射（re-flection）、电磁干扰（electron magnet interference）的影响，传输距离较短;另一种采取限摆率技术，通过降低数据传送速度达到长距离传输的目的［2］。本文采取第一种方法。

在CMOS工艺下，这种电路很容易实现，关键是选择具有合适尺寸的电路使其符合输出电流及功率要求。如图2所示为本文设计的电路图，电路要求是输出电平同TTL电平的兼容，所以输功率管采用的都是NMOS管。

图2中DIN为数据输入端，EN为使能端，EN为高电平时电路工作。当DIN为高时，N0及N3导通而N1，N2截止，T1输出高电平而T2输出低电平。反之，若DIN为低时，N0及N3截止而N1，N2导通。这样，逻辑控制电路便将标准的TTL/CMOS信号分为2路大小相等，相位相反的差分信号T1和T2。为提供合适的驱动电流，输出管采用较大的尺寸。

2.2接收器电路设计

接收电路接收RS 422的标准差分信号并将其转化为CMOs/TTL电平，其核心电路为一比较器［3］，主要功能是完成差分信号R1，R2的比较，若R1》R2，则输出高电平1，若R1

如图3所示，P14～P16与N14，N15构成启动电路，P12，P13与N12，N13，R0构成偏置电路，P0～P6与。N0～N5为比较电路，该比较器利用内部正反馈实现迟滞电压控制［4］，以防止受噪声干扰造成输出端的频繁跳变。迟滞电压可通过调节N0，N1，N2，N3的宽长比来实现。以N1，N2支路为例，阐述阈值电压的推导：当R1为高，R2为低时，P1及N1，N2支路导通：R2不断降低，与R1差值达到VTRP输出跳变：

本文选择100 mV的迟滞电压，有效保证了系统的稳定性。由比较器输出的电压，经过施密特触发器及反相器整形后，成为标准的方波信号输出。

2.3过温保护电路的设计

过温保护电路如图4所示。

电路中使用与发送电路中结构相同的迟滞比较器，设置了95℃和135℃两个温度跳转点，消除了热振荡现象。

温度保护电路的工作原理如下：N5，N6，P2，P3，P4， Q3，Q4及R4，R3，R1构成基准发生电路，Y为基准电压输出点。由于共源共栅器件的作用，N5，N6源端电位近似相等，可得：

其中n为Q4，Q3发射极面积之比，取R2=R3，则：

基准电压［5］：

通过调节R2与R1的比值使基准电压具有零温度系数，调节R4的值使输出合适的基准电压值。

X点电压大约为3VBE，由于VBE是一个具有负温度系数的量，因此随温度的上升而下降。常温时，X点电位高于Y点电位，OUT端输出高电平，芯片正常工作。当温度上升至135℃时，X点电位低于Y点电位，比较器输出低电平，芯片关断。当芯片温度再次下降，低到95℃时，比较器再次翻转，芯片恢复正常工作。

3、 仿真结果

3.1发送电路的仿真

波形从上至下依次为：使能信号EN、输入波形、TX1、TX2、负载电阻电流。从图5中可以看出，发送器电路能够将一路CMOS信号转换为一对大小相等、方向相反的差分信号。在带100 Ω负载时，输出高电平为3 V，低电平0.3 v，负载电流27 mA，延迟9 ns上升时间4 ns，下降时间5 ns。使能信号EN为低时，电路不工作。

3.2接收电路的仿真

图6给出了接收电路的仿真情况，他能够将差分信号转换为标准CMOS电平，延迟大约为2 ns，上升约为0.5 ns，下降时间约为1 ns，迟滞电压约为1 00 mV。

3.3过温保护模块的仿真

对温度保护电路在0～140℃范围内进行扫描可得如上曲线，当芯片温度上升至大约在135℃时，温度保护模块输出低电平，关断芯片。当芯片温度下降至95℃时，温度保护模块输出电平跳变，芯片恢复正常工作。

4 、版图设计

（1）为了防止电阻寄生的PN结正向导通，图4比较电路中R1，R2，R3，R4不能选取有源区电阻，只能选取多晶硅电阻。绘制时要注意匹配，如采用1∶2∶4的匹配方式。为了保证所有电阻所处的光刻环境一样，还在电阻阵列2边增加了dummy电阻。

（2）对称性设计：电路中所有对称的MOS管及PNP管都要注意匹配，绘制版图时，可以把一个大的MOS管分成若干小管，采用共质心对称的方式以避免工艺的横向偏差和纵向偏差的影响，并添加dummy管。对于PNP管，如发射极面积比为1∶8的Q4和Q3，可采用1∶8的排列方式，即将Q3分成8个相同的PNP管，对称排列在Q4周围。

（3）ES［）设计：ESD不仅仅要在放在I/O PAD旁，VDD及GND之间的ESD保护同样要引起高度注意，这可以通过添加sLtpply clamp电路实现。ESD器可采用LVTSCR结构以获得更加稳定的性能。

（4）输山功率管设计：对于驱动器部分的输山火功率管，采用又指晶体管的设计方式，以减少漏源结面积和栅电阻。

（5）保护环设计：为保护一些结构，要在适当的电路外围添加保护环。本芯片采用P衬底N阱工艺，有2种保护环，N阱的周围应该加吸收少子电子的N型保护环（nt-ap），ntap环接VDD，隔离衬底噪声;P衬底的周围应该加吸收少子空穴的P型保护环（ptap），ptap环接gnd，吸收衬底噪声。而且双环对少子的吸收效果比单环好。添加保护环可有效防止闩锁效应的发生。由于电路中功率管宽长比较大，其上的电流及消耗的功率也较大，容易干扰其他电路，因此需要在功率管及附近的电路的周围分别都添加保护环。

5 、结 语

设计了一款适用于RS 422通信协议的接口芯片，他具有高传输速率、大驱动电流、低静态关断电流的特点，且具有多种保护电路，能抵抗恶劣环境，可广泛用于各类数据通信领域。

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