Интерфейсные микросхемы

компании STMicroelectronics и особенности их применения

Статья посвящена обзору микросхем компании STMicroelectronics, разработанных для реализации современных стандартов интерфейсов в области передачи данных. Основное внимание уделяется технологиям интерфейсов RS-485 и LVDS.

Стремительное развитие технологии передачи данных сопровождается появлением новых видов и стандартов интерфейсов. Интерфейсные схемы представляют собой совокупность стандартных функциональных блоков, которые обеспечивают сопряжение логического уровня, напряжения и тока различных линий передачи, соединительных шин и источников сигнала. В настоящее время для этих целей чаще всего используют международный стандарт RS.

RS-232 — несимметричное схемное решение последовательной передачи по стандарту RS. Максимальная скорость передачи данных может достигать 120 кбайт/с по кабелю на расстояние 10 –20 м с максимальной емкостной нагрузкой 2500 пФ. Для более высокой скорости и расстояния требуется балансировка соединительных линий.

Таблица 1. RS-232

*В разработке

Широко используемый в настоящее время интерфейс RS-232 достаточно хорошо изучен и освоен в применении. Принципиально новых идей для его реализации и качественного улучшения характеристик пока не наблюдается. Микросхемы для стандарта RS-232 выпускаются многими ведущими производителями, и для выбора конкретной схемы разработчику остается только сравнить их, исходя из предлагаемых дополнительных возможностей и цены. Тенденциями здесь являются, как и в других электронных компонентах, использование энергосберегающих технологий, расширение температурных диапазонов, встраивание систем защиты от электростатики и от различного рода перегрузок. Обобщенные данные по интерфейсным схемам ST для стандарта RS-232 приведены в таблице 1. Среди последних разработок компании можно выделить серии микросхем ST32xx.

ST3232E — схема связного интерфейса стандартов EIA/TIA-232 и V.28/V.24 с трехвольтным питанием, потреблением тока 300 мкА и высокими возможностями по передаче данных. Все выходы передатчиков и входы приемников защищены согласно IEC 1000-4-2 от искровых разрядов ±8 кВ и от электростатических разрядов ±15 кВ. ST3232E имеет встроенный преобразователь напряжения, который обеспечивает стандарт уровней RS-232 на передачу при питании от 3 до 5,5 В со скоростью нарастания выходного напряжения 6 В/мкс. Для работы схемы требуется только четыре внешних конденсатора емкостью по 0,1 мкФ и электропитание +3 В. ST3232E имеет два приемника и два передатчика. Гарантируется работа на скорости передачи данных 250 кбит/с с выходными уровнями RS-232. Данная схема рекомендуется для использования в субноутбуках, ПК, карманных компьютерах, принтерах, устройствах с батарейным питанием и ноутбуках. Внутренняя структура данной схемы и примеры ее применения представлены на рис.1, а соответствие аналогам — в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Таблица соответствия серий

*близкое соответствие

Схема ST3243E в отличие от ST3232E состоит из 3 передатчиков, 5 приемников и одной двухканальной схемы подкачки питания. Кроме того, имеется встроенное устройство автоматического отключения питания при отсутствии передачи на линии или при отсоединении кабельной линии. В этом состоянии ток потребления составляет всего 1 мкА. Питание автоматически включается при наличии допустимого уровня на любом входе приемника. Эта схема доступна в корпусах разного исполнения: SO-28, SSOP28, Filp-Chip и TSSOP28. На рис.2 изображен один из вариантов применения данной схемы.

RS-422 — этот стандарт обеспечивается только при дифференциальном подключении линии с использованием витой пары. Максимальная скорость передачи данных до 10 Мбит/с на расстояние до 1200 м. Каждый драйвер может управлять 10 приемниками.

RS-423 — используется для несбалансированной линии передачи с одним заземленным концом. Обеспечивает скорость передачи 120 кбайт/с на расстояние до 30 м или 3 Кб/с на расстояние до 1200 м.

Эти стандарты являются развитием RS-232 для высокоскоростной передачи данных (до 10 Мбит/с) на более далекие расстояния (до 200 м): RS-423 для несимметричных цепей и RS-422 (позже RS-485) для симметричных цепей. Несимметричные цепи RS-423, так же как и RS-232, имеют низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника 423 дает несколько лучший результат. Существенными преимуществами в этом плане обладают двухточечный интерфейс RS-422 и его магистральный аналог RS-485, получивший более широкое распространение. Большинство электрических характеристик стандартов RS-485 и RS-422 одинаковы [9 ], отличия лишь в режимах работы и количестве подключаемых приемников. RS-485 реализует двунаправленную полудуплексную передачу данных с 32 приемниками для шинных конфигураций, а RS-422 определяет двухсторонний однонаправленный драйвер с 10 приемниками. В этом смысле RS-485 является более универсальным и может работать в паре с RS-422. Конструктивно эти два интерфейса различаются тем, что в RS-422 и приемник и передатчик имеют свои витые пары, а в RS-485 приемник и передатчик делят одну витую пару. Данные по интерфейсным схемам ST для этих стандартов приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 3. Таблица соответствия суффиксов ST и аналогов

Таблица 4

*В разработке

RS-485 — это, прежде всего, обновление RS-422 для многоточечной шины. Этот стандарт характеризуется улучшенными параметрами RS-422 и дополнительно обеспечивает до 32 драйверов и 32 приемников, связанных по одной шине.

Типичным представителем данных схем ST для RS-485 являются микросхемы серии ST485. Они обеспечивают полудуплексную двунаправленную передачу на большом расстоянии с высокой скоростью передачи данных. Типичными применениями этих схем являются локальные сети, промышленная электроника (устройства с программируемыми логическими контроллерами), автоэлектроника и компьютерные интерфейсы. Современные тенденции в области передачи данных ведут к развитию более быстрых устройств с меньшими ошибками бита данных, и ST485 выполняет все эти требования.

Таблица 5

*В разработке

ST485 — это приемопередатчик для интерфейсов RS-485 и RS-422 с питанием от +5 В. Состоит из одного передатчика и одного приемника. Типовой ток потребления составляет 300 мА при полной нагрузке. Диапазон входного напряжения синфазного сигнала от –7 до +12 В с типовым входным гистерезисом 70 мВ. Скорость передачи данных более чем 10 Мбит/с.

Передатчик имеет защиту от перенапряжений при коротких замыканиях и от температурного перегрева, которая переводит его выходы в состояние высокого импеданса, а также защиту от искровых и электростатических разрядов.

На рис.3 показана внутренняя структура ST485. Линейные выводы передатчика и приемника объединены, то есть двунаправленная связь фактически может быть только полудуплексной. Управление через выводы RE и DE осуществляется для доступа к приемнику или передатчику соответственно и во многих приложениях оно совместное. Передатчик имеет ввод TTL при дифференциальном выходе. Дифференциальный вход приемника внутренне связан с выходом передатчика.

Таблица 6

Наиболее важными параметрами ST485, обеспечиваемыми по стандарту RS-485, являются [1 ]:

• Порог по входному сигналу приемника. Это ±200 мВ, что гарантирует хорошую помехозащищенность.
• Входное сопротивление приемника. Оно должно быть достаточно высоким для обеспечения подключения нескольких приемопередатчиков вместе. ST485 имеет Rвх больше, чем 40 кОм, что позволяет подключать до 64 модулей.
• Напряжение синфазного сигнала (Vсм) для приемника, определяемое как алгебраическое среднее из двух его составляющих: Vсм =(Vа+Vв)/2. Этот параметр для RS-485 стандарта составляет от -7 до +12 В. Vсм дает возможность различным устройствам работать правильно при различии в потенциале земли до ±7 В.
• Дифференциальное выходное напряжение передатчика. Здесь зависимость от выходного тока передатчика и, очевидно, от используемого сопротивления нагрузки. Это напряжение должно быть более чем 1,5 В при сопротивлении нагрузки 27 Ом.
• Защита передатчика от короткого замыкания, которое может произойти при одновременной работе нескольких передатчиков. ST485 ограничивает ток короткого замыкания до 70 мА, что обеспечивает защиту для целой линии.

Дифференциальная линия передачи имеет ряд преимуществ по сравнению с несимметричной:

• При передаче данных по витой паре на прохождение сигнала в линии влияет много факторов, например, импульсные помехи и наведенные токи. При дифференциальной передаче те же самые факторы создают помехи на входах А и В (рис.3), так что различий здесь нет, но все синфазные составляющие помех на входе приемника при этом взаимно компенсируются.
• При несимметричной передаче перепад напряжения между логической единицей и нулем меньше, чем при дифференциальной (табл.6). Простейшее согласующее устройство (120 Ом для витой пары или 54 Ом для экранированного кабеля) уменьшает этот перепад напряжения.

Типовое применение ST485 (Рис.4)— локальная сеть до 64 устройств с резистивным согласованием только на первом и последнем модуле, значение которого зависит от импеданса линии (54 или 120 Ом). Во избежание проблем при передаче, длина шлейфа к подключаемому узлу должна быть небольшой (менее 15 см).

Для получения большей длины кабеля, более высокой скорости передачи данных и улучшения качества сигнала существуют определенные рекомендации. Например, подключение нагрузки в соответствии с рис.5 позволяет осуществлять фильтрацию V CM и тем самым уменьшать уровень синфазных помех. Значения R =Rн/2, а в качестве емкости С используют керамический (или полиэфирный) конденсатор на 0,1 нФ.

Во избежание неправильной передачи данных и отражений сигнала все приемопередатчики должны быть связаны последовательно.

Применение стандартного согласующего сопротивления часто приводит к увеличению потребления тока, поэтому для его минимизации в статических состояниях может быть полезна конфигурация согласно рис.6. Значение R зависит от импеданса линии, обычно это — 120 Ом для неэкранированной витой пары; величина C зависит от длины кабеля или от импеданса Zо линии и его значение рассчитывается. Емкость C фильтра нижних частот разрывает цепь контурного тока при отсутствии передачи, что уменьшает энергопотребление, но ограничивает скорость передачи данных, поэтому данную конфигурацию можно использовать на средних скоростях передачи данных.

ST485 имеет внутреннюю отказоустойчивую схему, полезную при отключении дифференциального входа, например, когда все передатчики на линии находятся в состоянии высокого импеданса. Отказоустойчивая схема устраняет неопределенность состояния приемника, который остается на устойчивом логическом уровне, пока входное дифференциальное напряжение превышает ±200 мВ.

Однако внутренняя отказоустойчивая резистивная схема находится под влиянием внешней оконечной нагрузки (54 или 120 Ом) и часто требуются дополнительные меры по согласованию. Типичная отказоустойчивая оконечная конфигурация показана на рис.7. Резисторы Ra (повышает напряжение) и Rc (понижает напряжение) должны быть по 500 Ом, а резистор Rb (нагрузочный) — 130 Ом.

Такое схемное решение уменьшает максимальное число приемопередатчиков в сети и увеличивает текущее энергопотребление. На рис.8 показано отказоустойчивое схемное решение с экономным потреблением тока.

Продолжение следует

Анатолий Юдин, к.т.н.

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы