HIN2xxE系列RS-232收发器的原理及应用

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VccTOUT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GNDRout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+5224无0HIN206E+5434有0HIN207E+5534无0HIN208E+5444无0HIN211E+5454有0HIN213E+5454有2HIN232E+5224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）。