一种抗辐照1553总线收发器设计

宣志斌，李 飞

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

1553B总线是美国国防部颁布的军用航空总线标准，由于它采用指令/响应式时分系统进行数据通讯，因此特别适用于那些对实时性操作要求高的控制领域，同时它具有通讯距离长、采用双冗余总线可靠性高、可采用变压器耦合和直接耦合方式连接、便于故障设备隔离等突出优点，目前已由航空应用领域向航天、船舶等各应用领域发展。

针对航天应用领域要求能够考虑空间环境的特殊性，由于无大气层及地球磁场保护，在外太空环境下航天器容易暴露在太阳风以及宇宙射线的辐射下，主要是考虑总剂量辐射效应及单粒子辐射效应，针对这些效应，我们设计了抗辐照的总线收发器，可作为1553B总线终端通讯的数模转化接口应用于抗辐照应用的相关领域。

2 电路功能及系统结构

1553B总线收发器通过隔离变压器和耦合网络与1553B数据总线连接，主要功能是接收总线差分信号，由模拟信号转换为数字曼彻斯特数字码，然后交给后端协议处理器电路解码命令处理；此外，其可将1553B总线终端的数字消息转化为模拟信号发送到数据总线上，然后由相应终端接收。1553B总线规定通讯速率为1 Mbit/s。

该电路的整体系统结构图如图1所示。整个电路由发送器和接收器组成，且发送器的终端与接收器的输入端连接。发送器由传输逻辑、波形控制及驱动单元组成，TXA/B和TXA/B为反向数字输入端，TXINHA/B是控制发送使能信号，其中传输逻辑用于将协议处理器编码好的曼彻斯特码型数字消息转换为控制信号，然后通过波形控制单元处理，可调整总线传输波形的变化率，即总线波形的上升下降时间等参数，最后通过驱动管对隔离变压器进行驱动输出。接收器由于需要考虑总线传输过程出现的各种噪声干扰信号，防止误操作，因此在总线输入前端设计了滤波器，以保证后端放大器电路能够正常工作，比较器为双路差分输入比较器，其后输出数字信号，经接受逻辑通过逻辑运算输出数字曼彻斯特码，供后端总线协议处理器接收处理，RXA/B和RXA/B为数字反向输出端，RXENA/B为接收器输入使能信号。

图1 总线收发器系统结构图

3 电路设计及仿真

3.1 发送器波形斜率控制逻辑

图2 斜率控制逻辑电路

由于MOS管的饱和电流与MOS管的栅电压变化成平方关系，因此波形斜率原理是控制驱动MOS管的栅电压变化率，采用阻容重放电方式进行控制，由上面的2个PMOS管控制电容充电电流，下面的1个MOS管加电阻控制电容放电电流。

3.2 偏置电流及参考电压电路设计

图3 偏置电流及参考电压逻辑图

其参考电压用于设计比较器比较点，采用简单的比例电阻分压，由于整个电路工作电压是4.75～5.25 V，电源电压变化不大，且接收电路比较器对比较电压不要求很精确，所以采用这种方式可以消除电阻的温漂以及抗辐照带来的影响，工作性能稳定可靠。

3.3 输入滤波及比较器电路

图4 输入滤波及比较器电路

在接收器的输入端采用了双路放大器加四路比较器的设计方案，由于端口输入开启电压需要设计到200～860 mV之间，通常设计到500～600 mV之间，处于该值以下的电压波形通常认为是总线噪声信号或无效信号，为保证噪声信号不被接收到，需要设计低通滤波器，而为了接收到微弱的正常总线信号，需要滤波器后端设计一个闭环3倍放大器，由于放大倍数要求不高，采用常用的差分CMOS运放即可实现，同时为将模拟信号转化为数字信号，后端设计四路两对反向的比较器，然后交给解码数字逻辑进行处理。

3.4 端口及ESD电路

由于1553B总线通讯距离长，线路容易受到静电影响，因此需要仔细设计电路的端口ESD保护结构，在该电路中采用了典型的二极管反偏保护结构，如图5所示。

图5 端口二极管ESD保护电路

3.5 电路仿真

为了保证整个系统的仿真精确性，有必要对隔离变压器进行Spice建模，由于变压器中间接地，因此分为4端电感描述主次级线圈电感值，然后采用2个互感耦合器K1和K2定义主次级变压器电感耦合系数，具体建模如图6。

图6 Spice建模

整个仿真过程采用Cadence自带的Spectre软件以及Synopsys公司的Hspice分别进行仿真，顶层逻辑仿真图如图7所示。

图7 顶层逻辑系统仿真图

4 整体版图及性能验证

经过电路流片及测试，电路整体抗ESD能力达到2 000 V以上，静态电路3.2 mA，100%负载情况下动态电流530 mA，采用钴60γ射线源进行300 Krad(Si)辐照，辐照后电路静态电路和动态电流均无明显变化，取得了预想的抗辐照设计效果。

图8 发送器仿真波形

图9 接收器仿真波形

图10 整体电路版图

5 结束语

本文介绍了一种抗辐照总线收发器的电路设计原理，同时对1553B总线收发器设计的各个要点进行了分析，其采用电压模驱动方式，结构简单，通过流片测试验证，其满足了抗辐照设计指标要求，并且已应用于1553B总线通讯系统中，取得了良好的使用效果。

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