HIN2xxE系列RS-232收發(fā)器的原理及應用
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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、特性和典型應用。
關鍵詞：RS-232 電荷泵 關斷模式
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斷模式，在電池供電應用中可以有效節(jié)約能量。此外，HIN213E在關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，5V10% |
| 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狀態(tài) |
| SD/SD | 關斷輸入端。SD=5V（HIN213E SD=0V）時，電荷泵停止工作，接收器輸出端處于高阻抗狀態(tài)（HIN213E的R4與R5除外），并且發(fā)送器被關閉 |
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) | 關斷模式 | 關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。當時鐘脈沖為高電平時，電源Vcc對電容器C1充電至Voc。當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。
在關斷模式（HIN206E、HIN211E與HIN213E）下，電荷泵被關閉，V+被下拉到VCC，V-被上拉到GND，電源電流減少到10μA以下。發(fā)送器的輸出端被關閉，接收器的輸出端（除HIN213E的R4與R5以外）處于高阻抗狀態(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。當輸入電平大于2.4V時，輸出端為低電平；當輸入端懸空或者在+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，可關閉接收器的輸出，并將它們置于高阻抗狀態(tài)。在關斷模式中，接收器的輸出端也被置于高阻抗（除HIN213E的R4與R5以外）。
4 典型應用電路
在HIN2xxE系列電路的典型應用中，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。在關斷時，該延遲時間稍微有所延長。進入關斷模式時，接收器R4與R5在SD=VIL之后保持無效80μs。在退出關斷模式時，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）。
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