基于1553B总线的收发器芯片设计

摘要

MIL-STD-1553B 数据总线标准由于其能够实现各子系统之间的消息传输、通信系统灵活且易于修改、有较强的抗干扰能力等优点被广泛应用在航空航天领域和现代武器系统中，已成为国际公认的数据总线标准。1553B总线系统中最关键的部分是总线接口芯片，但是由于生产和研发能力不足，我国目前大部分总线接口芯片都依赖国外进口，价格高昂且性能受到限制。因此自主研制出能够传输更高频率信号的 1553B 总线接口芯片对我国的科研、国防和经济都具有理论和实际意义。　　本文在深入研究MIL-STD-1553B总线和国内外主流接口收发器芯片的使用手册的前提下，和对现役主流收发器芯片的性能进行了测试的基础上，设计了一款3.3 V低电源电压且具有1~20 MHz可调传输信号频率的1553B总线收发器芯片，同时满足总线的可靠性要求。该收发器芯片主要包含接收器、发送器和逻辑控制三个模块，接收器中的主要电路有限幅电路、滤波电路和比较器电路；发送器中的主要电路为延时电路和整形电路；逻辑控制模块中的主要电路为移位寄存器电路和其中的触发器电路。　　本文首先从发展历史、特性优点、硬件设备和总线协议方面对MIL-STD-1553B总线进行了研究，并给出了总线收发器芯片的总体结构框图和总线与收发器芯片的两种连接方式。然后对目前市场上占有率较大的HOLT公司的HI-1573PSI总线收发器芯片的各项性能参数进行了实际测量，参考测量结果和国内自主研制的相关产品列出了收发器电路设计的性能指标。基于GlobalFoundries 0.18μm BCDlite工艺完成了各个子模块的电路设计和仿真，重点分析了各个模块中的关键电路，然后对收发器整体功能和性能进行了仿真验证，该收发器能够在1~20 MHz的信号频率下稳定地实现收发功能，且各项性能满足设计要求。最后，在工艺规则的要求下完成了版图的设计，并从匹配、面积、寄生参数和噪声等方面完成了版图的优化。　　本文的设计基于GlobalFoundries 0.18μm BCDlite工艺，电路总体仿真得到接收器的差分输入阻抗为4.87 kΩ，差分输入电容为0.09 pF，共模电压为6 Vpeak，开启电压为300 mVPP；发送器的上升时间为114 ns，下降时间为123 ns，峰峰电压为7.14 V，输出噪声电压为0.058 mV，满足相应的性能要求。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究发展现状

1.2.2 国内研究发展现状

1.3 论文的主要工作和结构

2 MIL-STD-1553B数据总线标准及收发器系统结构

2.1.1 MIL-STD-1553B标准的历史

2.1.2 MIL-STD-1553B总线特性

2.1.3 MIL-STD-1553B硬件设备

2.1.4 MIL-STD-1553B协议

2.2 总线收发器总体结构

2.3 现有芯片性能测试

2.4 总线收发器电路性能指标

2.5 工艺平台介绍

2.6 本章小结

3 电路设计

3.1 接收器模块设计

3.1.1 限幅电路

3.1.2 放大器电路

3.1.3 滤波器电路

3.1.4 比较器电路

3.2 发送器模块设计

3.2.1 延时电路

3.2.2 整形电路

3.3 逻辑控制模块设计

3.3.1 D触发器

3.3.2 移位寄存器

3.4 本章小结

4 电路总体仿真及版图设计

4.1.1 总体功能验证

4.1.2 差分输入阻抗

4.1.3 差分输入电容

4.1.4 共模电压

4.1.5 接收器开启电压

4.1.6 输出噪声电压

4.1.7 性能总结

4.2 版图设计

4.2.1 版图设计步骤

4.2.2 设计规则

4.2.3 版图优化

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 未来工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢