Transceptores resistentes RS485/RS422 de 3,3 V con terminación conmutable integrada

Las redes RS485 de velocidad media y alta deben terminarse para evitar reflejos que corrompan los datos. Esto significa que se coloca una resistencia de terminación en cada extremo del bus. Por supuesto, si la red se expande o reconfigura, las resistencias de terminación también deben moverse. Los transceptores LTC2854 y LTC2855 de 3,3 V eliminan la engorrosa tarea de mezclar las resistencias de terminación. Estos dispositivos tienen una resistencia de terminación integrada conectada a través de las entradas del receptor que se puede habilitar o deshabilitar con un simple control lógico de un pin de entrada, lo que hace que la configuración y la reconfiguración de la red sean muy sencillas. Estos dispositivos vienen en paquetes pequeños y son extremadamente robustos, resistiendo impactos de ESD de hasta ±25kV HBM (LTC2854) en los pines de E/S de línea, el nivel de protección más alto de la industria para un transceptor RS485.

Otras características del LTC2854 y LTC2855 incluyen un receptor con umbrales balanceados para un excelente rendimiento del ciclo de trabajo, alta resistencia de entrada que permite conectar hasta 256 dispositivos a un bus y una salida completa a prueba de fallas. El controlador ofrece un funcionamiento de baja potencia que, junto con el receptor y la resistencia de terminación integrada, proporciona una solución de red de impedancia igualada de matriz única. Las piezas están disponibles en configuraciones de dúplex medio y dúplex completo en paquetes pequeños que incluyen DFN de 10 y 12 pines, así como SSOP de 16 conductores (consulte la Tabla 1 y la foto en la Figura 1).

Figura 1. Fotografía de (de izquierda a derecha) LTC2854 3 mm × 3 mm DFN, LTC2855 4 mm × 3 mm DFN y LTC2855 SSOP

Tabla 1. Selección de productos
Número de parteDúplexPaqueteE/S en línea Esd (HBM)
LTC2854MitadDNF-10±25 kV
LTC2855CompletoSSOP-16, DFN-12±15 kV

Los diagramas de bloques para LTC2854 y LTC2855 se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Diagramas de bloques de LTC2854 y LTC2855

Las señales de diferencial de terminación conmutable que se propagan por una línea de transmisión de par trenzado se reflejan parcialmente cuando se encuentra una falta de coincidencia de impedancia. La señal reflejada causa interferencia constructiva y/o destructiva en la línea que puede corromper los datos. Para evitar esta condición y optimizar el rendimiento del sistema, las líneas de transmisión deben terminarse en cada extremo con una resistencia que coincida con la impedancia característica del cable.

Los transceptores LTC2854 y LTC2855 integran esta resistencia de terminación para que pueda incluirse o excluirse de manera selectiva simplemente controlando el pin de habilitación de terminación (TE). La resistencia se conecta efectivamente a través de los pines de entrada del receptor configurando TE alto y se desconecta cuando TE es bajo o el dispositivo no tiene alimentación. Esta disposición es casi ideal desde el punto de vista de la gestión del sistema, especialmente en condiciones en las que cambia la configuración de la red y es necesario mover la resistencia de terminación al nuevo extremo del bus. En este caso, no es necesario retirar y colocar manualmente una resistencia discreta; más bien, el cambio se controla digitalmente con la selección adecuada de pines TE en el LTC2854 o LTC2855.

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Para ilustrar la importancia de la ubicación de la terminación, considere la configuración que se muestra en la Figura 3, donde se presentan los efectos de la expansión de la red. La configuración inicial consta de los nodos 1 y 2, compuestos por transceptores LTC2854 conectados con 200 pies de cable Cat 5. Las formas de onda en la parte inferior izquierda de la figura muestran la señal recibida en el nodo 2, impulsada desde el nodo 1. Ambos extremos del cable se terminan colocando los pines TE en alto en ambos transceptores. La señal recibida parece limpia porque el bus está debidamente terminado.

Figura 3. Efectos de la ubicación de la terminación con la expansión de la red

Un pequeño desajuste de impedancia entre la impedancia característica del cable de 100 Ω y la resistencia de terminación de 120 Ω da como resultado una ligera protuberancia en la forma de onda. Este efecto es menor y la figura sirve para ilustrar que la resistencia de terminación en el LTC2854 y el LTC2855 es compatible con los cables populares de 100 Ω de bajo costo.

El segundo conjunto de formas de onda en la parte inferior de la Figura 3 muestra los resultados de introducir un tercer nodo en el sistema a través de 100 pies de cable agregado pero sin mover la resistencia de terminación a la nueva ubicación final. Las formas de onda en el nodo 3 y el nodo 2 están gravemente distorsionadas por los reflejos causados ​​por la terminación incorrecta. En el tercer conjunto de formas de onda, la colocación de la terminación se ha corregido configurando TE alto solo en los nodos 1 y 3, limpiando así las señales recibidas en los nodos 2 y 3. Las resistencias de terminación seleccionables por lógica en el LTC2854 permiten esta corrección sin requiere intervención física.

La resistencia de terminación se mantiene bien con respecto a la temperatura, el voltaje de modo común y la frecuencia (como se ilustra en la Figura 4). Además, la red de terminación agrega solo una carga capacitiva insignificante a los pines del receptor. La capacitancia de entrada en los pines A y B del LTC2855 es de aproximadamente 9 pF medida a tierra y 3,5 pF diferencialmente.

Figura 4. Resistencia de terminación LTC2855 frente a (a) temperatura, (b) voltaje de modo común y (c) frecuencia.

El LTC2854 y el LTC2855 cuentan con un receptor de baja potencia que consume solo 450 µA. La resistencia de entrada a tierra de un solo extremo en cada una de las entradas del receptor es superior a 96 kΩ cuando la terminación está desactivada. Esto es ocho veces más alto que los requisitos especificados en el estándar TIA/EIA-485-A y, por lo tanto, este receptor representa una carga unitaria de un octavo. Esto, a su vez, significa que 8 veces el número estándar de receptores, o 256 en total, se pueden conectar a una línea sin cargarla más allá de lo establecido en el estándar.

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El receptor implementa un diseño completo a prueba de fallas que aumenta la RO cuando las entradas al receptor se cortocircuitan, se dejan abiertas o se terminan (externa o internamente) pero no se activan.

Un elemento clave del receptor LTC2854/LTC2855 es que utiliza un comparador de ventana con dos umbrales de tensión equilibrados alrededor de cero para un excelente rendimiento del ciclo de trabajo. Como se ilustra en la Figura 5, para una señal diferencial que se aproxima desde una dirección negativa, el umbral es de +65 mV. Cuando se acerca desde la dirección positiva, el umbral es –65mV. Cada uno de estos umbrales tiene 20 mV de histéresis (no se muestra en la figura). Esta ventana alrededor de 0 V conserva el ciclo de trabajo para entradas pequeñas con bordes muy inclinados. Este rendimiento se destaca en la Figura 6, donde se transmite una señal a través de 4000 pies de cable Cat 5e a 3 Mbps. El conjunto superior de trazos muestra las señales que ingresan al receptor después de viajar por el cable largo. El trazo medio es la diferencia de las dos señales superiores y el trazo inferior es la forma de onda resultante del receptor en el pin RO. Está claro que a pesar de que la señal diferencial alcanza un pico de poco más de ± 100 mV y está fuertemente desplazada, la salida mantiene una señal casi perfecta casi sin distorsión del ciclo de trabajo.

Figura 5. Características del umbral de entrada del receptor

Figura 6. Una señal de 3 Mbps conducida por 4000 pies de cable Cat 5e. Rastros superiores: señales recibidas después de la transmisión por cable; trazo medio: matemática que muestra la diferencia de las señales superiores; traza inferior: salida del receptor.

Pocos dispositivos pueden igualar este nivel de rendimiento porque los umbrales equilibrados del receptor están en desacuerdo con los requisitos de seguridad en cortocircuito. Otras partes suelen incluir un umbral negativo en el receptor, de modo que cuando las entradas se cortocircuitan entre sí (es decir, diferencial de 0 V), la salida del receptor se eleva, lo que indica una condición de seguridad. Desafortunadamente, la compensación negativa puede causar una distorsión severa del ciclo de trabajo para señales pequeñas de velocidad de flanco lento como las que se presentan en la Figura 6.

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El LTC2854 y el LTC2855 evitan este problema mediante el uso de un método para detectar la condición de seguridad en cortocircuito que preserva la integridad normal de la señal. En funcionamiento normal, los dos umbrales que se muestran en la Figura 5 se utilizan para determinar el estado de salida del receptor. Sin embargo, si las entradas del receptor permanecen entre los umbrales durante más de 3 µs, la salida del receptor se eleva, lo que refleja esta condición de seguridad.

El controlador diferencial de LTC2854 y LTC2855 entrega fácilmente señales RS485/RS422 a velocidades de datos de hasta 20 Mbps. La figura 7 muestra los bordes limpios y los excelentes cruces por cero del controlador LTC2854 que se ejecuta a 20 Mbps en una carga de 54 Ω. La Figura 8 muestra un solo pulso de 50 ns (equivalente a un bit a 20 Mbps) entregado a través de 100 pies de cable Cat 5 estándar sin blindaje y recibido por un segundo transceptor LTC2854.

Figura 7. El controlador LTC2854 cambiando a la velocidad de datos máxima de 20 Mbps a 54 Ω. A y B son las salidas del controlador.

Figura 8. El controlador LTC2854 entrega un solo pulso de 50 ns a través de 100 pies de cable Cat 5, que es recibido por otro LTC2854. Ambas partes tienen habilitada su terminación en chip. El trazo superior es la entrada al dispositivo transmisor y los trazos medio e inferior se observan en la parte receptora.

Las salidas del controlador tienen un límite de corriente que ofrece protección contra cortocircuitos a cualquier voltaje dentro del rango máximo absoluto de (VCC–15V) a +15V, con un pico de corriente típico que no exceda los 180mA. Además, la protección de apagado térmico desactiva el controlador, el receptor y el terminador si la disipación de energía excesiva hace que el dispositivo se caliente a temperaturas superiores a 160 °C. Cuando la temperatura cae por debajo de 140 °C, se reanuda el funcionamiento normal.

Los pines de salida del controlador y los pines de entrada del receptor en el LTC2854 están protegidos a niveles ESD de ±25kV HBM con respecto a tierra o VCC. El LTC2855 de dúplex completo soporta ESD de ±15 kV. Estos niveles de protección existen para todos los modos de funcionamiento del dispositivo, incluidos apagado, espera, recepción, transmisión, terminación y todas las combinaciones de estos. Además, el nivel de protección es válido si VCC está encendido, en cortocircuito a tierra o desconectado.

Cuando un pin de E/S de línea en el LTC2854/LTC2855 recibe un impacto de ESD durante el funcionamiento, la pieza sufre una breve perturbación de duración similar al evento de ESD y luego se recupera por completo. El dispositivo no se traba y no hay necesidad de cambiar de estado o cambiar el suministro para recuperarse. Esto es cierto ya sea que la pieza esté en un estado estático o enviando/recibiendo datos y para el rango completo de voltajes de modo común a tierra indicados en el estándar RS485. La foto de la Figura 9 muestra el LTC2854 absorbiendo la energía de una pistola ESD (configurada para descarga de aire IEC) que lanza repetidos disparos de 30 kV al pin ‘A’ mientras transmite datos. Los trazos del osciloscopio en el fondo muestran datos alternando felizmente en los pines A y B antes y después de un disparo, con un fallo positivo solo durante el evento ESD. Este dispositivo puede manejar muchos de estos golpes sin sufrir daños.

Figura 9. El LTC2854 envía datos (vea los rastros del osciloscopio en el fondo) mientras recibe múltiples disparos ESD de 30 kV en el pin ‘A’.

El LTC2854 y el LTC2855 abren nuevos caminos en el mundo de los transceptores RS485/RS422 de 3,3 V. La inclusión de una resistencia de terminación seleccionable proporciona una solución completa para la red RS485 con la capacidad de configurar la red de forma remota para una transferencia de datos óptima. El rendimiento ESD incomparable proporciona una robustez excepcional, mientras que un receptor de umbral balanceado con capacidad total a prueba de fallas hace que esta familia de dispositivos de tamaño reducido sea una opción natural para los sistemas RS485/RS422 modernos.

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