一种限摆率RS-485收发器设计

北方工业大学信息学院 张天泽 鲍嘉明

中国科学院自动化研究所 吴宗国

随着科技的进步，通信对于日常生活越来越重要，RS-485标准由于其传输距离远、传输距离快、适用性强的特点，在工业、农业、军用等领域都有着较为广泛的市场，收发器在RS-485标准的通信中具有关键作用，因此对于RS-485收发器的研究具有重要意义。本文介绍了一款具有摆率选择功能的RS-485收发器的原理与电路设计，其采用5V电源供电，传输速率可以在250kbps与20Mbps之间进行选择。

收发器的传输速度越快，要求驱动电路的摆率也就越大，由此带来的电磁干扰就越大，因此想要应用于远距离传输时需要对驱动电路的摆率进行限制，因此本文对RS-485收发器中的限摆率技术作为关键技术之一进行研究，并设计了摆率可选驱动电路，使其传输速率可通过外部引脚在250kbps与20Mbps之间进行选择，从而既可以应用于远距离传输也可应用于高速传输的应用场景中，使其具有更强的适用性。

1 整体电路结构

图1所示为限摆率RS-485收发器功能框图，其主要包括了发送电路与接收电路两部分，接收电路包括输入模块、比较器，接收电路主要是将总线上-7～+12V的RS-485电平转换为0～5V的TTL电平。发送电路包括过温保护电路、两路反向的平衡驱动电路，其功能主要是将0～5V的TTL电平转换为差分电平输出，且可通过驱动电路进行限摆率，使传输速率在250kbps与20Mbps之间进行选择。

图1 限摆率RS-485收发器功能框图

2 电路设计及仿真

2.1 接收电路设计

接收电路通过输入模块将-7V～+12V的宽共模范围的差分输入信号经过输入模块实现降压转换从而将信号共模范围降低至后续核心比较器的工作电平范围内，然后通过核心高速比较器比较降压转换后的差分信号，最后由输出驱动模块输出标准逻辑电平。

图2所示为输入模块电路，其中Vref=（-7V～+12V）/2≈2.5V。

图2 接收输入模块

使R1=190kΩ，R2=20kΩ，从而将共模范围与差模信号缩小9.5倍，使其处于比较器的处理范围内。

通过电阻R3令两输出端电流失配，当VCH=VCL时IXX>IYY，可以通过适当调整R3的阻值改变正向阈值电压的大小，使其得到-50mV的正向阈值电压，可避免接收电路两输入端间发生短路或开路时，输出结果频繁跳变。

为避免输入信号带来的噪声对输出结果造成影响，因此在本模块加入了比较器的外部迟滞功能，避免在阈值电压附近受到噪声影响，使比较结果受到干扰。迟滞的实现是通过比较器的比较结果控制MOS管M1。当比较器输出高电平时，M1导通，从而在比较器的正向端引入更大的电流失配，使得阈值电压向负向偏离，从而得到-200mV的负向阈值电压。当比较器输出低电平时，MOS管M1关断，使比较器两输入端的电流失配完全由电阻R3提供，从而获得-50mV的正向阈值电压。

本设计中的迟滞比较器采用外部迟滞的带有源负载的折叠式共源共栅比较器，采用差分输入单端输出的形式，如图2为折叠共源共栅比较器电路图。由于相比MOS管三极管具有较大的跨导使其具有较大的放大倍数，因此比较器采用三极管作为输入对管。当VP>VM时，IQ3>IQ4，IM10>IM11，经过反相器整形后Z端输出高电平；与之类似，当VP＜VM时，Z端输出低电平。

图3 折叠共源共栅比较器电路图

2.2 发送电路设计

如图4为本文采用的过温保护电路。该电路采用两级运放构成的比较器，比较两路具有不同温度系数的电压，通过合理调整器件参数，实现175℃的热关断，其中，比较器采用差分输入单端输出形式，并由反相器整形输出，此外，Vbe与电阻R3～R6均具有负温度系数，但电阻的温度系数更小，两个支路电压被差分输入至比较器的输入端，比较输出结果。当芯片温度保持在正常工作温度时，Q4上压降大于电阻R3～R6上压降，比较器正相电压小于负相电压，比较器输出低电平，通过反馈回路将M16导通，使R2被短路，电阻支路只有电阻R3～R6工作。随温度逐渐上升至正常工作温度范围外，Q4上的压降小于R3～R6上的压降，比较器正相输入电压大于反相输入电压，比较器输出高电平，从而将M16关断，电阻支路由R3～R6与R2同时工作，通过加入电阻R2将比较器反相端电压拉的更低，从而实现温度迟滞的功能，使芯片需要待温度降低至一定范围内再恢复工作，避免在温度阈值附近芯片反复开关对芯片造成损伤。

图4 过温保护电路

限摆率电路是本文所设计电路中较为重要的部分，对于压摆率的限制也就是对驱动电路输出信号的上升下降时间的限制，在RS-485标准中，串接54Ω电阻与50pF电容时，对输出信号上升下降时间的要求为TR、TF≤0.3TUI，其中TUI为一个信号周期的时间长度。本设计限摆率时的传输速率为250kbps，一个信号周期时间长度为4000ns，因此通过上式可以得到，最大上升下降时间为1200ns。

由于驱动管的尺寸通常较大，因此驱动管的栅端通常会有较大的寄生电容，可以通过控制对栅端寄生电容充放电电流大小改变栅端电压变化率的大小，从而改变压摆率，防止电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）的干扰。由于电流镜的阻抗较为稳定，且其电流也相对稳定，因此驱动管产生的噪声较小，输出信号相对稳定，不易产生乱码，因此本文采用图5所示中对驱动管使用电流镜镜像恒定电流驱动的方式对驱动电路的压摆率进行限制。

图5 电流镜限流前级驱动

图6所示为本文采用的驱动电路结构，采用高速通道与限摆率通道相互独立的方式，当需要高速传输时通过关断限摆率通道的传输门使限摆率通道的信号不会传输至驱动级中，而高速通道可以正常工作。当需要对驱动电路摆率进行限制时，通过将限摆率通道中的传输门导通，限摆率通道中的信号传送至驱动级并输出，而高速通道经过逻辑电路最终借助与门使前级驱动输出高阻态，使发送电路在250kbps的传输速率下工作。在对驱动电路进行设计时需要注意高速通道需要采用逐级驱动的方式，三级驱动之间采用1:3:9的比例，逐级提高驱动能力。此外还需注意两个驱动管的导通顺序，避免驱动级的P管与N管出现同时导通的现象。

图6 驱动电路结构

3 电路仿真

在A、B两端分别输入周期为100ns，上升下降时间为1ns，高低电平分别为+0.7V与-0.7V的互相反相方波信号，输出端RO接15pF负载，如图7为接收电路时序特性工艺角仿真图，上升下降延时分别为13.2ns与13.3ns。

图7 接收电路时序特性

图8所示为在5V工作电压下，扫描温度为100℃～200℃，如图7为过温保护电路的仿真结果。在温度上升至176℃时电路关断，当温度降低至156℃电路恢复工作，温度迟滞为20℃。

图8 过温保护仿真

在Y、Z端口间串接54Ω电阻，并在Y、Z与地之间串接100pF电容。在DI端口加入上升下降时间均为1ns的方波信号。图9所示为20Mbps下发送电路的时序特性仿真图像，上升时间与下降时间分别为6.2ns与6.05ns，延时分别为9.4ns与11.8ns，延时偏斜为2.4ns。图10所示为250kbps传输速率下发送电路的时序特性仿真结果，上升时间与下降时间均为1069ns，延时分别为814ns与816ns，延时偏斜为2ns。

图9 20Mbps下时序仿真

图10 250kbps下时序仿真

通过仿真结果可以看出，所设计电路能够满足RS-485标准的要求。

本文设计了一种具有摆率可选功能的RS-485收发器，传输速率可以在250kbps与20Mbps之间进行选择，既可以用于高速传输也可以进行限摆率传输以避免EMI带来的干扰，从而具有更为广泛的应用。此外，为提高电路的可靠性，设计了一个过温保护电路，当温度上升至176℃以上时将发送电路关断，温度下降至156℃以下使电路恢复工作，对发送电路形成保护，避免温度过高对芯片造成损伤。