基于CMOS工藝的ARINC 429總線接收器設(shè)計(jì)

李　珂，顧　飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

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基于CMOS工藝的ARINC 429總線接收器設(shè)計(jì)

李珂，顧飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

摘要：基于普通CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款A(yù)RINC 429總線接收器。電路可在3.3 V、5 V兩種電源電壓下工作，能夠直接接收單路ARINC 429總線差分信號(hào)輸入，轉(zhuǎn)化為數(shù)字高低電平輸出，同時(shí)輸出受使能信號(hào)控制。采用SMIC 0.18 μm HV LDMOS工藝流片，電路經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，電參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)，已應(yīng)用于某航空通信顯控系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：ARINC 429；基準(zhǔn)電路；比較器

1　引言

ARINC 429總線是美國(guó)航空無線電公司（ARINC）制定的航空數(shù)字總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，定義了航空電子設(shè)備和系統(tǒng)之間相互通信的一種規(guī)范[1]。在航空電子綜合化系統(tǒng)中，快速、有效的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)整個(gè)航空電子系統(tǒng)的性能有很大影響。ARINC 429是航空電子系統(tǒng)之間最常用的通訊總線之一，它符合航空電子設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[2]。而ARINC 429總線接收電路常見于ARINC 429總線系統(tǒng)中，其主要功能是在ARINC 429總線信號(hào)及相關(guān)外圍設(shè)備之間起到橋梁作用[3]?？芍苯咏邮针p極歸零制的ARINC 429信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備[4]。

本文介紹了一款通用的ARINC 429總線接收器電路設(shè)計(jì)，電路可接收單路ARINC 429總線差分信號(hào)輸入，轉(zhuǎn)化為數(shù)字電平輸出，實(shí)現(xiàn)ARINC 429總線與外圍設(shè)備間（如FPGA等）的通訊。電路基于CMOS工藝設(shè)計(jì)制作，性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)[5]。

2　電路整體結(jié)構(gòu)和功能分析

本文設(shè)計(jì)的ARINC 429總線接收器由比較電壓產(chǎn)生電路、差分電壓比較電路及驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖1所示。

比較電壓產(chǎn)生電路內(nèi)含基準(zhǔn)模塊與小型LDO模塊，為差分接收電路提供兩個(gè)不同的比較電壓Vref1、Vref2；ARINC 429總線差分輸入信號(hào)通過比較器電路與Vref1、Vref2進(jìn)行對(duì)比，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。同時(shí)，使能控制信號(hào)TESTA、TESTB，可有效控制OUTA、OUTB輸出。

圖1　總體電路框圖

3　關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1基準(zhǔn)電路

基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路如圖2所示，由啟動(dòng)電路、運(yùn)放以及帶隙基準(zhǔn)3部分組成。MN1、MP1、MP2、R4組成啟動(dòng)支路，同時(shí)為運(yùn)放電路OP提供偏置電壓，運(yùn)放電路有效地保證了帶隙基準(zhǔn)部分A、B兩點(diǎn)電路相等。Q1、Q2、R3、R2、R1組成帶隙基準(zhǔn)核心部分，三極管Q2發(fā)射極面積為Q1發(fā)射極的8倍，整體電路在C點(diǎn)產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓[6]。

圖2　基準(zhǔn)電路

在輸出支路上，輸出電壓Vref為：

基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)值為1.24 V，通過調(diào)節(jié)R1及R2、R3的阻值，可以得到隨溫度變化較小的帶隙基準(zhǔn)電壓[5]。

3.2比較電壓產(chǎn)生電路

比較電壓產(chǎn)生電路，為簡(jiǎn)單的LDO電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在D點(diǎn)產(chǎn)生LDO電壓輸出，同時(shí)E點(diǎn)電壓與基準(zhǔn)相同，VD=Vref（R9+R8）/R8。同時(shí)，R5、R6、R7為分壓電壓，可以通過調(diào)整其阻值，得到不同的分壓Vref1、Vref2，為后繼接收器電路提供兩個(gè)比較電壓，同時(shí)，調(diào)整分壓電阻R6阻值，可以調(diào)整差分輸入電壓的遲滯電壓。

圖3　比較電壓產(chǎn)生電路

3.3差分接收電路

差分接收電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。ARINC 429總線差分輸入信號(hào)INA、INB通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)以及初級(jí)比較器電路在E點(diǎn)、F點(diǎn)被轉(zhuǎn)化為隨輸入變化的正電壓信號(hào)。在電壓比較電路中，正電壓信號(hào)在上升及下降過程中分別與Vref1、Vref2進(jìn)行比較，從而在比較器輸出端產(chǎn)生數(shù)字電平翻轉(zhuǎn)信號(hào)。同時(shí)，數(shù)字電平輸出受TESTA、TESTB使能信號(hào)的控制。

4　版圖設(shè)計(jì)與仿真測(cè)試驗(yàn)證

4.1版圖設(shè)計(jì)

電路版圖設(shè)計(jì)規(guī)則采用SMIC 0.18 μm HV LDMOS工藝設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，芯片面積1.05 mm× 2.0 mm。如圖5所示。

4.2仿真分析

選用SMIC 0.18 μm HV LDMOS工藝模型，利用HSPICE仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在電源電壓VCC為3.0～5.5 V、全溫T為-55～125℃范圍內(nèi)，電路均能正常工作。下邊以電源電壓VCC=5 V的仿真情況為例，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行說明。

圖6是對(duì)基準(zhǔn)輸出Vref溫度特性的仿真波形，從圖中可以看出，在-55～125℃溫度范圍內(nèi)，輸出Vref電壓變化范圍為1.2455～1.2465 V,電壓變化1.0 mV，溫漂系數(shù)4.5×10-6/℃。

同時(shí)，VCC為3.0～5.5 V、全溫-55～125℃范圍內(nèi)，對(duì)兩個(gè)比較電壓Vref1、Vref2進(jìn)行仿真驗(yàn)證，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其結(jié)果如表1所示。

選取差分接收電路做仿真驗(yàn)證。對(duì)差分翻轉(zhuǎn)電平及傳輸延時(shí)仿真如圖7所示。

從圖7中可以看出，當(dāng)OUTA發(fā)生高低翻轉(zhuǎn)時(shí)，ARINC 429差分輸入電平|VRINA-VRINB|分別為6 V和5 V，遲滯電壓為1 V，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4　比較器電路結(jié)構(gòu)

圖5　電路版圖設(shè)計(jì)

圖6　基準(zhǔn)電路仿真結(jié)果

圖7　差分接收電路翻轉(zhuǎn)電壓仿真驗(yàn)證

表1　比較電壓Vref1、Vref2輸出仿真結(jié)果

4.3測(cè)試驗(yàn)證

所設(shè)計(jì)電路在SMIC 0.18 μm HV LDMOS工藝線上完成流片，電路功能與電參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在VCC為3.0～5.5 V、全溫T在-55～125℃范圍內(nèi)，電路均能正常工作，接收差分信號(hào)，輸出數(shù)字高低電平。在VCC=5 V時(shí)，電參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

5　結(jié)論

基于普通CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款適應(yīng)于ARINC 429總線的接收器電路，電路可接收單路ARINC 429總線差分信號(hào)輸入，轉(zhuǎn)化為數(shù)字電平輸出。同時(shí)，輸出受使能信號(hào)控制。電路兼容ARINC 429總線協(xié)議。所設(shè)計(jì)電路在SMIC 0.18 μm HV LDMOS工藝線上完成流片，功能與電參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并

在整機(jī)系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] ARINC429公司. ARINC429傳輸規(guī)范[Z]. 2002.

[2]李寰宇，王勇，劉安.基于PCI的多通道ARINC429總線接口卡設(shè)計(jì)[J].電光與控制，2009（2）：72-75.

[3]蔣謝芳.基于嵌入式微處理器的ARINC429通信板卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2006，25（3）：52-54．

[4]黃旭東，韋凱，錢浩，等.基于429總線的TMS320F2812程序的遠(yuǎn)程加載技術(shù)[J].電子與封裝，2014，14（6）：28-29.

[5]史國(guó)慶，高曉光，吳勇，張建東.基于PCI總線的ARINC429總線接口板硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010（1）：128-129.

[6]黃召軍，朱琪，等.一種新型基準(zhǔn)電流源電路設(shè)計(jì)[J].電子與封裝，2014，14（4）：20-21.

李珂（1982—），男，河南南陽人，2009年畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，碩士學(xué)歷，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)第58所從事模擬集成電路設(shè)計(jì)研發(fā)工作，主要研究方向?yàn)榇鎯?chǔ)器、總線接口電路等。

Design of an ARINC 429 Line Receiver Based on General CMOS Technology

LI Ke, GU Fei
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

Abstract：Based on common CMOS technology, designed an ARINC 429 Line Receiver. The device is designed to operate from either a 5 V or 3.3 V supply. Its receiver channel translates incoming ARINC 429 date bus signals to a pair of TTL/CMOS outputs. The test signals force the receiver output to the specified ZERO, ONE or NULL state. This circuit had been realized in the SMIC 0.18 μm HV LDMOS technology and reached the design request. It has high performance and strong commodity, already applied in an aeronautical communication system.

Keywords：ARINC429; reference; comparator

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-12-21

中圖分類號(hào)：TN402

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）03-0023-03