HIN2xxE系列RS-232收發(fā)器的原理及應(yīng)用
摘要:HIN2xxE系列是由+5V單電源供電的高速RS-232收發(fā)電路,符合EIA RS-232C和V.28規(guī)范,以電源功耗低為顯著特點,廣泛應(yīng)用于ISDN和高速調(diào)制解調(diào)器,尤其是電池供電系統(tǒng)中。文中主要介紹HIN2xxE系列電路的原理、特性和典型應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:RS-232 電荷泵 關(guān)斷模式
1 概述
Intersil公司的HIN2xxE系列RS-232發(fā)送器/接收器包括HIN202E、HIN206E、HIN207E、HIN208E、HIN211E、HIN213E、HIN232E等,符合美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)的高速RS-232C與V.28規(guī)范,特別適合那些不能提供±12V電源的應(yīng)用場合。該系列產(chǎn)品采用+5V單電源供電,片內(nèi)的電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器可以利用外接5V電源產(chǎn)生+10V與-10V電壓。收送器的輸出與接收器的輸入具有ESD(靜電放電)保護功能,可以承受±15kV的靜電放電。發(fā)送器的輸入與TTL/CMOS兼容,具有限速輸出功能,接收器可接收±30V的輸入電壓,輸入阻抗為3kΩ~7kΩ,具有滯后特性,可以極大地提高噪聲抑制功能。HIN206E、HIN211E與HIN213E的顯著特點是低功耗關(guān)斷模式,在電池供電應(yīng)用中可以有效節(jié)約能量。此外,HIN213E在關(guān)斷模式中還提供二個有效的接收器,使電路具有“喚醒”功能。該系列電路廣泛用于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)與高速調(diào)制解調(diào)器中。
HIN2xxE系列的主要特點如下:
·提供無鉛型產(chǎn)品;
·適用于高速綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(傳輸速率為230kbit/s);
·對RS-232 I/O腳進行ESD防護,可耐±15kV的靜電放電(IEC1000);
·達到所有RS-232與V.28規(guī)范要求;
·只需要0.1μF(或以上)的外接電容器;
·在關(guān)斷模式中有二個接收器保持有效(HIN213E);
·片內(nèi)有電壓倍增器/反相器;
·低功率消耗(典型值為5mA);
·三態(tài)TTL/CMOS接收器輸出;
·具有多個發(fā)送器
—+5V輸入時輸出幅度為±10V,
—掉電時主源阻抗:300Ω,
—限制輸出電流,
—兼容TTL/CMOS電平;
·具有多個接收器
—輸入電壓范圍為±30V
—輸入阻抗為3kΩ~7kΩ
—0.5V滯后以改善噪聲抑制
2 HIN2xxE系列的引腳功能
HIN2xxE系列由于含有的發(fā)送器、接收器的個數(shù)不同,引腳數(shù)也不同。下面以HIN206E為例說明其此腳排列和功能。HIN206E的引腳排列如圖1所示,常采用SOIC或SSOP封裝。其引腳功能見表1。HIN2xxE系列的主要性能對照見表2。
表1 HIN206E的引腳功能
引腳名稱 |
引腳功能 |
Vcc | 電源輸入端,5V±10% |
V+ | 在內(nèi)部產(chǎn)生的正電源(典型值為+10V) |
V- | 在內(nèi)部產(chǎn)生的負(fù)電源(典型值為-10V) |
GND | 接地端 |
C1+ | 外接電容器C1(+端)連接到該腳 |
C1- | 外接電容器C1(-端)連接到該腳 |
C2+ | 外接電容器C2(+端)連接到該腳 |
C2- | 外接電容器C2(-端)連接到該腳 |
TIN | 發(fā)送器輸入端(TTL/CMOS電平)。每個輸入端都通過芯片內(nèi)部的400k的上拉電阻器連接到Vcc |
TOUT | 發(fā)送器輸出端(RS-232電平,典型值為±10V) |
RIN | 接收器輸入端(RS-232電平)。每個輸入端都通過芯片內(nèi)部的5kΩ下拉電阻器連接到GND |
Rout | 接收器輸出端(TTL/CMOS電平) |
EN/EN | 接收器使能輸入端。EN=5V(HIN213E EN=0V)時,接收器的輸出端入于高阻抗?fàn)顟B(tài) |
SD/SD | 關(guān)斷輸入端。SD=5V(HIN213E SD=0V)時,電荷泵停止工作,接收器輸出端處于高阻抗?fàn)顟B(tài)(HIN213E的R4與R5除外),并且發(fā)送器被關(guān)閉 |
表2 HIN2xxE系列的主要性能對照
型 號 | 電源電壓/V | 發(fā)送器個數(shù) | 接收器個數(shù) | 外接電容器個數(shù) | 關(guān)斷模式 | 關(guān)斷模式下接收器工作個數(shù) |
HIN202E | +5 | 2 | 2 | 4 | 無 | 0 |
HIN206E | +5 | 4 | 3 | 4 | 有 | 0 |
HIN207E | +5 | 5 | 3 | 4 | 無 | 0 |
HIN208E | +5 | 4 | 4 | 4 | 無 | 0 |
HIN211E | +5 | 4 | 5 | 4 | 有 | 0 |
HIN213E | +5 | 4 | 5 | 4 | 有 | 2 |
HIN232E | +5 | 2 | 2 | 4 | 無 | 0 |
3 HIN2xxE系列芯片的工作原理
HIN2xxE系列RS-232發(fā)送器/接收器電路由三個部分組成:電荷泵、發(fā)送器和接收器。
3.1 電荷泵
電荷泵包括倍增器和電壓反相器,由其內(nèi)部的125kHz時鐘統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作,以產(chǎn)生+10V與-10V電壓,其等效電路如圖2所示。當(dāng)時鐘脈沖為高電平時,電源Vcc對電容器C1充電至Voc。當(dāng)時鐘脈沖為低電平時,已充電至VCC的C1上電壓通過電容器C3產(chǎn)生2VCC的電壓。此外,還要對C2充電至2VCC。在隨后時鐘脈沖為高電平時,電容器C2的正極被接地,通過電容器C4產(chǎn)生-2VCC電壓,并從C4的負(fù)極輸出。電荷泵最多可承受5.5V的輸入電壓。電壓倍增器部分(V+)的輸出阻抗為200Ω左右,電壓反相器部分(V-)的輸出阻抗為450Ω左右。
在關(guān)斷模式(HIN206E、HIN211E與HIN213E)下,電荷泵被關(guān)閉,V+被下拉到VCC,V-被上拉到GND,電源電流減少到10μA以下。發(fā)送器的輸出端被關(guān)閉,接收器的輸出端(除HIN213E的R4與R5以外)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。
3.2 發(fā)送器
發(fā)送器是將輸入的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS-232所要求電平的電平轉(zhuǎn)換反相器。輸入端的門限電壓是26%VCC(當(dāng)VCC=5V時,門限電壓為1.3V)。輸入高電平可在發(fā)送器輸出端產(chǎn)生一個-5V至V-之間的電壓,而輸入低電平則會產(chǎn)生一個+5V至(V+-0.6V)的電壓。發(fā)送器的每個輸入端都有一個400kΩ的內(nèi)部上拉電阻器,因此未用的輸入端不必連接,并且輸出端仍保持低電平狀態(tài)。在最惡劣的條件,所有的發(fā)送器驅(qū)動3kΩ的負(fù)載電阻、Vcc=4.5V、溫度達到允許的最大工作溫度時,發(fā)送器的輸出電平仍能滿足RS-232的要求。輸出端受短路保護并且可以不受限制地短接到地線。
3.3 接收器
接收器可將±5V的RS-232電平轉(zhuǎn)換為TTL或CMOS邏輯電平。接收器的輸入端可以接收±30V的電壓,接收器輸入門限的典型值為1.3V,輸出電平為0V~VCC。當(dāng)輸入電平大于2.4V時,輸出端為低電平;當(dāng)輸入端懸空或者在+0.8V與-30V之間時,輸出端為高電平。接收器還有0.5V的滯后(除非是在關(guān)斷時),可以提高噪聲抑制功能。接收器使能腳EN(HIN213E為EN腳)無效時,可關(guān)閉接收器的輸出,并將它們置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷模式中,接收器的輸出端也被置于高阻抗(除HIN213E的R4與R5以外)。
4 典型應(yīng)用電路
在HIN2xxE系列電路的典型應(yīng)用中,電容器C1-C4的值為0.1μF,但這個值不是臨界值。增加C1與C2的值會降低電壓倍增器與反相器的輸出阻抗,而增加存儲電容器C3與C4的值則會降低V+與V-電源端的脈動。
HIN213E的二個接收器R4與R5在關(guān)斷模式中仍保持有效。在正常操作時,接收器的傳送延遲時間的典型值為0.5μs。在關(guān)斷時,該延遲時間稍微有所延長。進入關(guān)斷模式時,接收器R4與R5在SD=VIL之后保持無效80μs。在退出關(guān)斷模式時,所有的接收器輸出將為無效,直到電荷泵電路達到正常的工作電壓為止。在采用0.1μF的電容器時,電荷泵電路達到正常工作電壓所需時間一般在2ms以內(nèi)。
圖3是一個簡單的帶有CTS/RTS信號交換功能的雙工RS-232。通過一個連接到V+的5kΩ電阻器驅(qū)動,可以產(chǎn)生固定輸出信號,如DTR(數(shù)據(jù)端就緒)與DSRS(數(shù)據(jù)信號發(fā)送速率選擇)。