基于CMOS工艺的ARINC 429总线接收器设计

李　珂，顾　飞

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）



基于CMOS工艺的ARINC 429总线接收器设计

李珂，顾飞

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）

摘要：基于普通CMOS工艺，设计了一款ARINC 429总线接收器。电路可在3.3 V、5 V两种电源电压下工作，能够直接接收单路ARINC 429总线差分信号输入，转化为数字高低电平输出，同时输出受使能信号控制。采用SMIC 0.18 μm HV LDMOS工艺流片，电路经测试验证，电参数达到设计要求，性能稳定可靠，实用性强，已应用于某航空通信显控系统中。

关键词：ARINC 429；基准电路；比较器

1　引言

ARINC 429总线是美国航空无线电公司（ARINC）制定的航空数字总线传输标准，定义了航空电子设备和系统之间相互通信的一种规范[1]。在航空电子综合化系统中，快速、有效的数据传输对整个航空电子系统的性能有很大影响。ARINC 429是航空电子系统之间最常用的通讯总线之一，它符合航空电子设备数据传输标准[2]。而ARINC 429总线接收电路常见于ARINC 429总线系统中，其主要功能是在ARINC 429总线信号及相关外围设备之间起到桥梁作用[3]。可直接接收双极归零制的ARINC 429信号并将其转换为数字信号传送至计算机或其他设备[4]。

本文介绍了一款通用的ARINC 429总线接收器电路设计，电路可接收单路ARINC 429总线差分信号输入，转化为数字电平输出，实现ARINC 429总线与外围设备间（如FPGA等）的通讯。电路基于CMOS工艺设计制作，性能可靠、实用性强[5]。

2　电路整体结构和功能分析

本文设计的ARINC 429总线接收器由比较电压产生电路、差分电压比较电路及驱动电路组成，如图1所示。

比较电压产生电路内含基准模块与小型LDO模块，为差分接收电路提供两个不同的比较电压Vref1、Vref2；ARINC 429总线差分输入信号通过比较器电路与Vref1、Vref2进行对比，转化为数字信号输出。同时，使能控制信号TESTA、TESTB，可有效控制OUTA、OUTB输出。

图1　总体电路框图

3　关键模块设计

3.1基准电路

基准电压产生电路如图2所示，由启动电路、运放以及带隙基准3部分组成。MN1、MP1、MP2、R4组成启动支路，同时为运放电路OP提供偏置电压，运放电路有效地保证了带隙基准部分A、B两点电路相等。Q1、Q2、R3、R2、R1组成带隙基准核心部分，三极管Q2发射极面积为Q1发射极的8倍，整体电路在C点产生带隙基准电压[6]。

图2　基准电路

在输出支路上，输出电压Vref为：

基准电压设计值为1.24 V，通过调节R1及R2、R3的阻值，可以得到随温度变化较小的带隙基准电压[5]。

3.2比较电压产生电路

比较电压产生电路，为简单的LDO电路结构，如图3所示。在D点产生LDO电压输出，同时E点电压与基准相同，VD=Vref（R9+R8）/R8。同时，R5、R6、R7为分压电压，可以通过调整其阻值，得到不同的分压Vref1、Vref2，为后继接收器电路提供两个比较电压，同时，调整分压电阻R6阻值，可以调整差分输入电压的迟滞电压。

图3　比较电压产生电路

3.3差分接收电路

差分接收电路结构如图4所示。ARINC 429总线差分输入信号INA、INB通过电阻分压网络以及初级比较器电路在E点、F点被转化为随输入变化的正电压信号。在电压比较电路中，正电压信号在上升及下降过程中分别与Vref1、Vref2进行比较，从而在比较器输出端产生数字电平翻转信号。同时，数字电平输出受TESTA、TESTB使能信号的控制。

4　版图设计与仿真测试验证

4.1版图设计

电路版图设计规则采用SMIC 0.18 μm HV LDMOS工艺设计规则进行设计，芯片面积1.05 mm× 2.0 mm。如图5所示。

4.2仿真分析

选用SMIC 0.18 μm HV LDMOS工艺模型，利用HSPICE仿真软件对所设计电路进行仿真验证，在电源电压VCC为3.0～5.5 V、全温T为-55～125℃范围内，电路均能正常工作。下边以电源电压VCC=5 V的仿真情况为例，对仿真结果进行说明。

图6是对基准输出Vref温度特性的仿真波形，从图中可以看出，在-55～125℃温度范围内，输出Vref电压变化范围为1.2455～1.2465 V,电压变化1.0 mV，温漂系数4.5×10-6/℃。

同时，VCC为3.0～5.5 V、全温-55～125℃范围内，对两个比较电压Vref1、Vref2进行仿真验证，达到设计要求，其结果如表1所示。

选取差分接收电路做仿真验证。对差分翻转电平及传输延时仿真如图7所示。

从图7中可以看出，当OUTA发生高低翻转时，ARINC 429差分输入电平|VRINA-VRINB|分别为6 V和5 V，迟滞电压为1 V，达到设计要求。

图4　比较器电路结构

图5　电路版图设计

图6　基准电路仿真结果

图7　差分接收电路翻转电压仿真验证

表1　比较电压Vref1、Vref2输出仿真结果

4.3测试验证

所设计电路在SMIC 0.18 μm HV LDMOS工艺线上完成流片，电路功能与电参数达到设计要求。在VCC为3.0～5.5 V、全温T在-55～125℃范围内，电路均能正常工作，接收差分信号，输出数字高低电平。在VCC=5 V时，电参数的实测数据如表2所示。

5　结论

基于普通CMOS工艺，设计了一款适应于ARINC 429总线的接收器电路，电路可接收单路ARINC 429总线差分信号输入，转化为数字电平输出。同时，输出受使能信号控制。电路兼容ARINC 429总线协议。所设计电路在SMIC 0.18 μm HV LDMOS工艺线上完成流片，功能与电参数达到设计要求，并

在整机系统中得到了很好的应用。

参考文献：

[1] ARINC429公司. ARINC429传输规范[Z]. 2002.

[2]李寰宇，王勇，刘安.基于PCI的多通道ARINC429总线接口卡设计[J].电光与控制，2009（2）：72-75.

[3]蒋谢芳.基于嵌入式微处理器的ARINC429通信板卡的设计与实现[J].测控技术，2006，25（3）：52-54．

[4]黄旭东，韦凯，钱浩，等.基于429总线的TMS320F2812程序的远程加载技术[J].电子与封装，2014，14（6）：28-29.

[5]史国庆，高晓光，吴勇，张建东.基于PCI总线的ARINC429总线接口板硬件设计与实现[J].计算机测量与控制，2010（1）：128-129.

[6]黄召军，朱琪，等.一种新型基准电流源电路设计[J].电子与封装，2014，14（4）：20-21.

李珂（1982—），男，河南南阳人，2009年毕业于电子科技大学微电子与固体电子学院，硕士学历，现在中国电子科技集团第58所从事模拟集成电路设计研发工作，主要研究方向为存储器、总线接口电路等。

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

作者简介：

收稿日期：2015-12-21

中图分类号：TN402

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）03-0023-03