接口芯片:逻辑与严酷现实之间

2007-10-16 09:07:25来源: EDN China
逻辑信号已从老式 CMOS 4000 系列的 15V 降到 5V TTL(晶体管-晶体管逻辑),再到现代的 3.3 V、2.7 V 和 1.8V CMOS 。先进的工艺使用工作在 1V和1V 以下的数字逻辑,不过它们提供较高的 I/O 电压。日益降低的逻辑电压仍必须用于驱动螺线管、双绞线,以及分立的半导体功率级,因此它们需要外部接口电路。你需要了解这些电路,它们可以是 FET 驱动器到集电极开路的螺线管驱动器,直到 LVDS(低压差分信号传输)和隔离的驱动器。

电路之间的接口很难,因为它要连接不同电压的信号,或跨越不同的阻抗 。另一个难点是严酷的现实世界。任何人在尝试通过 CE 抗干扰测试后都会知道,所有连接到真实世界的器件或信号都必须在电压浪涌和尖峰中生存。除了这些困难以外,很多接口 IC 还工作在较高的频率下。这些新接口 IC 的高速度增添了一种全新的挑战。

让我们从最基础的器件-双极晶体管-开始我们的接口风险考验的历程吧。由于硅晶体管的基极导通电压为 0.6V,因此理论上你可以用几乎任何逻辑系列就能驱动一支晶体管。一种方法是在基极上串接一只电阻器(图 1)。你可以从逻辑电路直接驱动晶体管,但这是一种依赖于逻辑 IC 内部阻抗的不良设计习惯,它限制了进入晶体管的电流。由于一支双极晶体管的基极在导通时保持为 0.6V,所以逻辑 IC就会经历在其输出端短路。

因此,即使是将一只晶体管挂到一个门输出上这么简单的工作也需要一些工程知识。要根据预计电路工作的温度查找晶体管的值。用这个数据确定在最高预期负载情况下,晶体管导通所需要的基极电流。要记住负载电流也可能是温度的一个函数。然后,查看你所使用逻辑部件的数据表。同样,你必须考虑温度因素,查看实际可用的驱动电流。驱动电流依赖于电压降。晶体管基极为 0.6V,而 CMOS 逻辑 IC 会尝试将输出摆动至电源干线电压,双极逻辑系列器件可以进入电源干线的一个二极管压降内(0.6V)。了解了晶体管需要的压降和电流后,你就可以算出电阻的标称值。通常建议的做法是将电阻值减半,例如从 150Ω 减为 75Ω,这样能保证晶体管完全导通。然后,你必须查看逻辑 IC 损耗的功率,保证它不会超过任何功耗规格。当使用一只八缓冲器的所有八个输出时,会使部件烧毁,尤其是部件采用 TSSOP 或其它微型封装时,因为这类封装无法耗散大量热量。另外,逻辑部件有自己的功耗降格的温度,因此你要将这个数字计算在内,确保不会超额使用该部件。记住:如果你使用电阻值过低的基极电阻器,或者你完全省去了这个电阻器,那么就会使晶体管进入深度饱和,它就需要更长时间才能关闭。这种情况出现的原因是你向基射结注入了过多的空穴电子对,它们必须全部重新结合,然后集射极电流才能归零。

所有这些计算均适用于将双极晶体管用于缓冲逻辑输出的情况。采用 MOSFET 则建立了另外一组标准。FET 不需要电流就能导通,极上加电压就可以使漏源变为低阻抗。FET 的好处是,它们能够以低损耗传导电流,而有些器件(如来自 Supertex 的)可以承受非常高的电压。较老 FET 需要 10V 才能导通。工艺工程师采用离子注入法降低了栅源阈值电压。但要记住,开发人员是按 5V 设计这些逻辑级 FET 的。你必须查看数据表,确保一款器件能在 3.3V 或更低逻辑电压下导通。除了驱动电压问题以外,驱动 FET 栅极的数字逻辑部件将栅极看作一只电容器。FET 越大,数字部件的电容也越大。由于 CMOS 和双极逻辑都只能驱动有限电流,FET 栅极电容的作用就会减缓 FET 的导通速度。同样,你需要查看逻辑数据单上的最差情况规格,按照逻辑运行在最低的电源电压下的情况,确保 FET 有足够快的开关速度,满足设计目标。

这些考虑也已出现在整合的 IC上,如 Microchip TC4468 和德州仪器公司的 SN75372 双 MOSFET 驱动器,它用于 MOSFET 的接口。你也可以用放大器来驱动大型 MOSFET,但要小心。用放大器驱动大型 FET 可能会造成输出振荡,因为 FET 对放大器表现为一个电容性负载。

在所有这些考虑因素中,最重要的是 Miller 电容:这是在 FET 栅极与漏极之间或双极晶体管基极与集电极之间的一种杂散小电容。栅极电压上升造成漏极电压下降,而这个下降会“抵抗”正试图升高栅极电压的信号(参考文献 1)。因此,你必须确认晶体管在实际工作条件下能够如预想的那样切换。如果你需要控制一个以上器件,可以使用集成的晶体管阵列,而不是分立的功率晶体管。Allegro 和其它公司都提供单片晶体管阵列。在 Digi-Key 搜索框中输入“transistor array”,可以返回 16 家公司的产品列表。

值得注意的是,所有这些工作、研究和计算都代表着一个简单的行为,即用晶体管作逻辑输出的缓冲。但这一工作能彰显出一个爱好者和一名工程师之间的差别:工程师使用规范和计算来保证电路能按自己的预期工作,不仅是在实验室中,而且还在整个生产过程中。举例来说,工程师 John Massa 现在拥有一家服务站,曾在 Houston Instruments、Teledyne 和 Quantum Disk Drives 工作。那时他曾告诫自己的同行,用一只 74LS244 八缓冲器驱动一只 LED 是不可行的。很多工程师都不相信,他们认为自己已经多次成功地如此做了。 Massa 只是微笑地劝他们读读数据表。德州仪器公司 SN74LS244 和当时使用的一支普通 20 mA LED 数据表得出了 Massa 坚持这么做的原因(参考文献 2 和参考文献 3)。德州仪器公司的文件显示,只有在 3 mA 输出电流下才能保证 2.4V 的输出电压。Chicago Miniature Lamp 的红色 LED 5306H1 在 10 mA 时有 3V 的最大正向电压。如果你希望 LED 在 20 mA 电流下以最大亮度发光,那么这个电路就无法确保工作,正如 Massa 所警告的那样。现在,接口是一种模拟现象,当然,你通常可以用一只 LS244 八总线驱动器来驱动一支 LED。这种方法对消费产品也许是可以接受的,但不能用于性命倏关的医疗设备或军用产品;文件指明的局限性不能保证 LED 能按所需亮度(或任何亮度)发光。

我们从简单的接口晶体管开始沿进化链上升,接下来是提供接口功能的 IC,它很像前述的 MOSFET 驱动器 IC。4000 系列 CMOS 逻辑六反相 CD4009 或非反相的 CD4010 逻辑缓冲 IC 是这些接口 IC 中最老的一种。德州仪器公司仍然在制造这些令人称赞的器件。4000 系列的优势是工作在 15V,能提供卓越的噪声抑制能力,支持直接驱动接口信号。CMOS 逻辑的优点之一(无论是 15V 的 4000 系列或任何低电压 CMOS)是你可以将多个输出捆绑在一起,增加电路的驱动电流(图 2)。FET 晶体管导通时是电阻性的,因此它们共享电流,而采用这种结构的双极晶体管则可能无止境地吸入电流,即一个双极输出晶体管变热,使它传导更多的电流,于是它会更热,这样恶性循环直至损坏。为防止出现这种情况,可以在每个输出串接 5Ω或 10Ω 的电阻,但这一步骤增加了成本,比使用 CMOS 芯片要复杂。

驱动螺线管或其它困难负载的要求产生了整个接口 IC 系列产品。其中最常见的一些是来自德州仪器公司和其它厂商的 SN 和 DS 系列。这些器件范围广泛,从 SN55462 双高电压外设驱动器到 DS3680 四重电话继电器驱动器。关于这类 IC 还值得一提 Freescale,它是摩托罗拉派生出的公司,其名称来自于使该公司发展起来的汽车收音机。如你所料,Freescale 制造的接口 IC 可以承受汽车环境下的较高温度和电压浪涌。Freescale 提供低侧开关、高侧开关、H 桥、预驱动器、动力系统,以及爆管 IC。(军事设计人员会把爆管看作用于火箭各级分离的爆炸螺栓。在本文中,“爆管”指用于使汽车气囊张开的爆炸筒。)

谈到高侧和低侧开关,将一个半导体开关放在负载的低侧似乎是合理的想法。不过,低侧开关的问题是当开关关闭时,负载就悬浮在正供电电压上。在已经使用了一个多世纪简单机械开关的领域中,你可能更希望简捷地关闭电源,而不是去切断负载的接地端。另外,出于噪声原因或为了监控电流、电压或温度的目的,保持负载接地也是有益的做法。这个问题已经引起了高侧 IC 的使用问题。

设计高侧开关的一种方法是使用 PNP 或 P 沟道 FET,并承受较大的损耗。但由于 N 类材料中电子的迁移率更高,NPN 双极晶体管和 N 沟道 MOSFET 能以较低损耗传导电流。有一种更先进的技术采用一个电荷泵来提升电压,然后通过电平移位电路导通一支 N 沟道 MOSFET。这里有一个关于栅极电容警告。数据表可能给出用于电荷泵高侧驱动器的典型导通时间,但制造商是在一个特定负载电容上获得这个时间。如果你试图控制一个大型 MOSFET,就需要更长时间为巨大的栅极电容充电。于是,器件可能在线性模式下停留太长时间,造成过高的功耗。同样严重的是,器件可能无法足够快地连接到一个电源,使高侧开关的馈电系统变得不稳定甚至需要重新起动。

高侧 FET 的一个最知名的品牌就是 NXP 公司的 TopFET。这款器件在功率 FET 中集成了过流、过热和过压情况下的保护功能。另外,该器件提供极性反转保护,使之最适合用于更换开关和保险。NXP 将电荷泵噪声降至最低,使器件适用于宽范围应用。Infineon 制造了有类似强大功能的 ProFET 智能高侧开关。该部件是 Infineon 低侧开关和电机控制系列产品的补充。STMiroelectronics 也加入到汽车环境很难接口的应用中。它在减小电致迁移方面做了开创性工作,并且改善了高侧开关的热疲劳特性。这些工作使器件拥有了牢靠的银触点,还有半导体器件的智能故障保护与监控,设计者比以往更接近了理想的器件。

信号接口


“接口”这个词汇的含义日益超出了用逻辑电压驱动螺线管和其它负载的范畴。它亦表示各种连接数字系统的标准。RS-232 是这些标准中最早的一个。其它早期的串 行接口 IC 支持 RS-422 和 RS-485(图 3、参考文献 4 和参考文献 5)。RS-232 是用一根线作发送,一根线作接收,而 RS-422 则用差分对作通信,需要两对线实现发送和接收。这么做的优点是可以工作在较长的距离上(甚至数公里),并可以有多达 10 个接收机监听一个发射机。差分 RS-485 接口在同一对线中组合了发射与接收功能。它可以在同一总线上支持 32 个发射机和接收机。

RS-232 这类较老标准存在一个问题,即设计者不会严格地遵守这些标准。连接器的引脚和传输的电平都缺乏符合性。RS-232 开始是作为将调制解调器连接到计算机的一个标准。因此,它不需要用 RD(铃声检测)这种信号来连接两台计算机,或将一台计算机连接到一个外设驱动器。由于有所有这些可能的引脚、电缆和电压配置,使设计者经常把 RS-232 叫做不标准的标准。

关于这点工程师 Massa 指出,很多人将 RS-232 接口设计为 5V 工作,而不是标准规定的电压:±12V。他注意到,一个普通 RS-232 接收器的输入结构电路图表明,只需一个二极管压降(0.6 V)就能导通输入,因此设计者相信,5V 也能像 12V 那样完成这个工作。当信号线达到 0V 时(而不是 -12V),他们推断输入会关断。但 Massa 不同意。他说:“要记住:接口运行在 5V 是违背标准的。你会得到很糟的噪声抑制能力,而可以实现的电缆长度也远远不够。不过,如果你只是准备用一根两英尺电缆连接到一台 PC,则 5V 信号也可以用于 RS-232 线上。”Maxim 和其它公司都销售工作于 5V 的 RS-232 接口芯片,它用内部电荷泵产生 ±10V 或更高的电压,并提供线上的 15 kV ESD(静电放电)保护。如果设计工程师拥有一个符合标准并且提供故障保护的串行接口,那么心里会有相当的安全感。

通过查看德州仪器公司在这一领域提供的产品,就可以判断出这些早期接口标准惊人的流行与普及。该公司提供 63 种 RS-422 器件,范围从只售约 25 美分的双线驱动器到有三个差分收发器通道、价格数美元的器件。TI 的 RS-232 系列有 95 种器件,售价最低是不到四分之一美元的驱动器,售价最高是完美的接口 IC,它带有电荷泵和 ESD 保护,售价超过 4 美元。对于 RS-485 标准,TI 提供 101 种器件,具有广泛的功能,以及相应的价格。

现在,速度更快的标准正在超越这些老的 RS 标准,如 USB(通用串行总线)和苹果公司开发的 FireWire。这些总线标准运行速度更高,比 RS-485 总线标准更加复杂。USB 和 FireWire 不仅标准化了电气接口,而且还标准化了较高层协议。老式串行通信端口仍然在 USB 中作为一种协议,尽管电气规格不同。虽然这些标准实现了现代化,但它们与较老的 RS 标准一样要面临环境的挑战。从数字系统中延伸出来的长电缆会制造出相同的混乱可能性。电缆会接收 EMI(电磁干扰)和 RFI(射频干扰),造成系统故障,或者电缆可以辐射出系统的数字噪声。来自人体或其它系统的 ESD 也会损坏你的系统,除非接口 IC 能防护这种情况的发生。正如你对这些流行标准的预期一样,相当多供应商在制造 USB 和 FireWire 接口芯片。USB 亦提供电源,供应商们提供的接口电路可满足管理 USB 端口以及保护电源线的需求。例如,Raychem 和 Fairchild 分别采用保险和开关解决这个问题。

芯片与子系统之间传输更高数据速率的需求使设计者考虑采用差分信号传输方法(图 4)。通过采用差分对,设计者可以在长距离上维持阻抗控制和平衡电流。SCSI(小型计算机系统接口)磁盘驱动器标准是这一技术的范例,它由 Shugart 协会开发于 1979 年。SCSI 在 1986 年成为一个标准,苹果计算机公司将其用于 Apple II 中(参考文献 6)。德州仪器公司在其网站的“Interface”(接口)部分列出了 SCSI 芯片。差分信号传输的作用和优点促使开发人员将其使用于 SATA(先进串行技术互连)磁盘驱动器接口和 PCIe(外设部件快速互连)总线接口。很多这类差分接口都采用 LVDS 的变种。业界首先将这个词汇用于描述将笔记本 LCD 面板连接到视频芯片的扁平电缆上的信号。视频接口必须位于扁平电缆上,因为笔记本屏幕要倾斜和关闭。差分信号传输还有更多的优点,如它辐射的电噪声较少,因为信号是差分传输和紧密耦合的。这种特性能够在笔记本产品的扁平电缆上实现数字视频的快速传输,从而通过联邦通信委员会对消费电器辐射噪声的严格标准。美国国家半导体公司是 LVDS 的早期提倡者,也将其用在 CameraLink 标准中,该标 准用于将工业相机连接到视频捕捉硬件(参考文献 7)。SCSI、SATA、PCIe 和 LVDS 都不是将逻辑连接到一个高电压外设上,而是以高速连接两个远距离的数字系统。CameraLink 可以在数米的距离上工作,而 LVDS 电缆在正确屏蔽和设计前提下,可以工作在数百米距离上。美国国家半导体公司拥有令人赞叹的 LVDS 芯片产品,很多其它供应商也制造这类产品,如 TI 和 STMicroelectronics。

SERDES(串行器/解串器)是一种特殊类型的 LVDS 接口,它将并行数据(如计算机总线或多字节的视频数据)串行化到一个高速 LVDS 线对。这些芯片的工作速度通常在 1 Gbps 以上。一旦 SERDES 完成了并行数据的串行化,并通过差分线对发送出去后,解串器可从串行码流中提取出一个时钟,将数据转换回到一个并行总线。美国国家半导体、TI、Intersil、Fairchild 和一些其它公司都制造这类芯片。SERDES 芯片在手机中也有应用,因为手机屏幕和相机数据必须通过手机的铰链传输。一对导线完成这个工作要比一个并行总线更容易。

另一类接口芯片采用光学、电容和磁隔离方式,支持隔离通信,使数据信号与系统通信时无需地回路传导或免受危险电压影响(图 5)。MIDI (音乐乐器数字接口)标准的开发者采用了光隔离方法。Avago Technologies 提供的光隔离芯片可以承受数千伏电压,每秒能传送数兆位的数据。德州仪器与 Analog Devices 公司都有提供数千伏隔离的芯片,并能以数百兆赫速度传输信号。这些出色芯片的使用正在改变一些模拟设计的性质。过去,实现隔离在模拟部分更常见,例如 Linear Technology 的 LTC1531 隔离比较器。随着这些数字隔离器芯片的使用,现在经常看到用一只隔离稳压器为模拟部分供电,而在隔离端使用一个数据转换器。你可以用一只数字隔离芯片,将数字信号与这个转换器隔离开来。

接口问题是十分重要的问题,一定要多加注意。大量的供应商都有可用的方案。如果你了解将一只晶体管连接到逻辑输出的步骤是多么复杂,就会理解使用专用接口芯片的需求和有利条件。如果你正在通过一块大型 PCB(印制电路板)或一根电缆传送千兆位的信号,就必须使用这些先进的接口芯片。对多数应用来说,重要的是性能与保护功能的结合。外面是一个严酷的世界,这些接口芯片可以使你的设计更能经受多种伤害。

更多信息

Allegro MicroSystems: www.allegromicro.com
Analog Devices:
www.analog.com
Apple:
www.apple.com
Avago Technologies:
www.avagotech.com
Chicago Miniature Lamp Inc:
www.cml-it.com
Digi-Key:
www.digikey.com
Fairchild Semiconductor:
www.fairchildsemi.com
Freescale Semiconductor:
www.freescale.com
Houston Instruments:
http://en.wikipedia.org/wiki/
Infineon Technologies: www.infineon.com
Intersil:
www.intersil.com
Linear Technology:
www.linear.com
Massa Enterprises:
www.massaenterprises.com/
Maxim Integrated Products:
www.maxim-ic.com
Microchip Technology:
www.microchip.com
Motorola:
www.motorola.com
National Semiconductor:
www.national.com
NXP Semiconductors:
www.nxp.com
Omega Engineering:
www.omega.com
Quantum:
www.quantum.com
Raychem:
www.raychem.com
Shugart Associates:
http://en.wikipedia.org/wiki/
STMicroelectronics: www.st.com
Supertex:
www.supertex.com
Teledyne Technologies:
www.teledyne.com
Texas Instruments:
www.ti.com

参考文献

1. Israelsohn, Joshua, “Miller on edge: The role of Miller capacitance in nonlinear circuits,” EDN, March 29, 2007, pg 38.
2. “SN54LS240, SN54LS241, SN54LS244, SN54S240, SN54S241, SN54S244, SN74LS240, SN74LS241, SN74LS244, SN74S240, SN74S241, SN74S244 Octal buffers and line drivers with 3-state outputs,” Texas Instruments 74LS244 data sheet, February 2002.
3. “5306 Series T-1 3/4 Right Angle LED Assembly,” Chicago Miniature Lamp Inc.
4. “RS-232, RS-422, RS-485—Differences and Typical Applications,” Omega Engineering.
5. “Quick reference for RS485, RS422, RS232, and RS423”.
6. SCSI.
7. “Camera link”.

关键字:信号  电压  基极  输出

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