HIN2xxE系列RS-232收发器的原理及应用

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1 概述
Intersil公司的HIN2xxE系列RS-232发送器/接收器包括HIN202E、HIN206E、HIN207E、HIN208E、HIN211E、HIN213E、HIN232E等，符合美国电子工业协会（EIA）的高速RS-232C与V.28规范，特别适合那些不能提供±12V电源的应用场合。该系列产品采用+5V单电源供电，片内的电荷泵电压转换器可以利用外接5V电源产生+10V与-10V电压。收送器的输出与接收器的输入具有ESD（静电放电）保护功能，可以承受±15kV的静电放电。发送器的输入与TTL/CMOS兼容，具有限速输出功能，接收器可接收±30V的输入电压，输入阻抗为3kΩ～7kΩ，具有滞后特性，可以极大地提高噪声抑制功能。HIN206E、HIN211E与HIN213E的显著特点是低功耗关断模式，在电池供电应用中可以有效节约能量。此外，HIN213E在关断模式中还提供二个有效的接收器，使电路具有“唤醒”功能。该系列电路广泛用于综合业务数字网（ISDN）与高速调制解调器中。
HIN2xxE系列的主要特点如下：
·提供无铅型产品；
·适用于高速综合业务数字网（传输速率为230kbit/s）；
·对RS-232 I/O脚进行ESD防护，可耐±15kV的静电放电（IEC1000）；
·达到所有RS-232与V.28规范要求；
·只需要0.1μF(或以上)的外接电容器；
·在关断模式中有二个接收器保持有效（HIN213E）；
·片内有电压倍增器/反相器；
·低功率消耗（典型值为5mA）；
·三态TTL/CMOS接收器输出；
·具有多个发送器
—+5V输入时输出幅度为±10V，
—掉电时主源阻抗：300Ω，
—限制输出电流，
—兼容TTL/CMOS电平；
·具有多个接收器
—输入电压范围为±30V
—输入阻抗为3kΩ～7kΩ
—0.5V滞后以改善噪声抑制
2 HIN2xxE系列的引脚功能
HIN2xxE系列由于含有的发送器、接收器的个数不同，引脚数也不同。下面以HIN206E为例说明其此脚排列和功能。HIN206E的引脚排列如图1所示，常采用SOIC或SSOP封装。其引脚功能见表1。HIN2xxE系列的主要性能对照见表2。

表1 HIN206E的引脚功能

引脚名称	引脚功能
Vcc	电源输入端，5V±10%
V+	在内部产生的正电源（典型值为+10V）
V-	在内部产生的负电源（典型值为-10V）
GND	接地端
C1+	外接电容器C1（+端）连接到该脚
C1-	外接电容器C1（-端）连接到该脚
C2+	外接电容器C2（+端）连接到该脚
C2-	外接电容器C2（-端）连接到该脚
TIN	发送器输入端（TTL/CMOS电平）。每个输入端都通过芯片内部的400k的上拉电阻器连接到Vcc
TOUT	发送器输出端（RS-232电平，典型值为±10V）
RIN	接收器输入端（RS-232电平）。每个输入端都通过芯片内部的5kΩ下拉电阻器连接到GND
Rout	接收器输出端（TTL/CMOS电平）
EN/EN	接收器使能输入端。EN=5V（HIN213E EN=0V）时，接收器的输出端入于高阻抗状态
SD/SD	关断输入端。SD=5V（HIN213E SD=0V）时，电荷泵停止工作，接收器输出端处于高阻抗状态（HIN213E的R4与R5除外），并且发送器被关闭

表2 HIN2xxE系列的主要性能对照

型  号	电源电压/V	发送器个数	接收器个数	外接电容器个数	关断模式	关断模式下接收器工作个数
HIN202E	+5	2	2	4	无	0
HIN206E	+5	4	3	4	有	0
HIN207E	+5	5	3	4	无	0
HIN208E	+5	4	4	4	无	0
HIN211E	+5	4	5	4	有	0
HIN213E	+5	4	5	4	有	2
HIN232E	+5	2	2	4	无	0

3 HIN2xxE系列芯片的工作原理
HIN2xxE系列RS-232发送器/接收器电路由三个部分组成：电荷泵、发送器和接收器。
3．1 电荷泵
电荷泵包括倍增器和电压反相器，由其内部的125kHz时钟统一协调工作，以产生+10V与-10V电压，其等效电路如图2所示。当时钟脉冲为高电平时，电源Vcc对电容器C1充电至Voc。当时钟脉冲为低电平时，已充电至VCC的C1上电压通过电容器C3产生2VCC的电压。此外，还要对C2充电至2VCC。在随后时钟脉冲为高电平时，电容器C2的正极被接地，通过电容器C4产生-2VCC电压，并从C4的负极输出。电荷泵最多可承受5.5V的输入电压。电压倍增器部分（V+）的输出阻抗为200Ω左右，电压反相器部分（V-）的输出阻抗为450Ω左右。
在关断模式（HIN206E、HIN211E与HIN213E）下，电荷泵被关闭，V+被下拉到VCC，V-被上拉到GND，电源电流减少到10μA以下。发送器的输出端被关闭，接收器的输出端（除HIN213E的R4与R5以外）处于高阻抗状态。

    3．2 发送器
发送器是将输入的TTL/CMOS电平转换成RS-232所要求电平的电平转换反相器。输入端的门限电压是26%VCC（当VCC=5V时，门限电压为1.3V）。输入高电平可在发送器输出端产生一个-5V至V-之间的电压，而输入低电平则会产生一个+5V至（V+-0.6V）的电压。发送器的每个输入端都有一个400kΩ的内部上拉电阻器，因此未用的输入端不必连接，并且输出端仍保持低电平状态。在最恶劣的条件，所有的发送器驱动3kΩ的负载电阻、Vcc=4.5V、温度达到允许的最大工作温度时，发送器的输出电平仍能满足RS-232的要求。输出端受短路保护并且可以不受限制地短接到地线。
3．3 接收器
接收器可将±5V的RS-232电平转换为TTL或CMOS逻辑电平。接收器的输入端可以接收±30V的电压，接收器输入门限的典型值为1.3V，输出电平为0V～VCC。当输入电平大于2.4V时，输出端为低电平；当输入端悬空或者在+0.8V与-30V之间时，输出端为高电平。接收器还有0.5V的滞后（除非是在关断时），可以提高噪声抑制功能。接收器使能脚EN（HIN213E为EN脚）无效时，可关闭接收器的输出，并将它们置于高阻抗状态。在关断模式中，接收器的输出端也被置于高阻抗（除HIN213E的R4与R5以外）。

4 典型应用电路
在HIN2xxE系列电路的典型应用中，电容器C1-C4的值为0.1μF，但这个值不是临界值。增加C1与C2的值会降低电压倍增器与反相器的输出阻抗，而增加存储电容器C3与C4的值则会降低V+与V-电源端的脉动。
HIN213E的二个接收器R4与R5在关断模式中仍保持有效。在正常操作时，接收器的传送延迟时间的典型值为0.5μs。在关断时，该延迟时间稍微有所延长。进入关断模式时，接收器R4与R5在SD=VIL之后保持无效80μs。在退出关断模式时，所有的接收器输出将为无效，直到电荷泵电路达到正常的工作电压为止。在采用0.1μF的电容器时，电荷泵电路达到正常工作电压所需时间一般在2ms以内。
图3是一个简单的带有CTS/RTS信号交换功能的双工RS-232。通过一个连接到V+的5kΩ电阻器驱动，可以产生固定输出信号，如DTR（数据端就绪）与DSRS（数据信号发送速率选择）。