CN205510010U - 自适应电源电压的rs-485输入共模范围扩展电路 - Google Patents

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徐义强
朱波
范建林
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Nanjing Guobo Electronics Co.,Ltd.
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Abstract

本实用新型公开了一种自适应电源电压的RS‑485输入共模范围扩展电路，包括偏置电路、缓冲放大器、输入电压调节电路和电位平移电路；所述偏置电路包括第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻的公共端连接缓冲放大器的输入端；所述输入电压调节电路包括第三电阻和第四电阻；所述第三电阻和第四电阻串联，此串联电路一端为电压输入端口，另一端连接缓冲放大器的输出端；所述电位平移电路包括第一三极管和第二三极管，基极连接第三电阻和第四电阻的公共端。本实用新型提出了一种结构简单的、可以跟随电源电压变化自动适应的共模放大电路，使输入端口的器件即使在低电源电压下，也能够正常工作，而在高电源电压下则可以提供更高的比较精度。

Description

自适应电源电压的RS-485输入共模范围扩展电路
技术领域
本实用新型涉及共模范围扩展电路领域，具体涉及一种自适应电源电压的RS-485输入共模范围扩展电路。
背景技术
RS-485总线通信技术由于其布线方式简便，通信距离长，兼容有极性和无极性连接等特点，目前在电表、水表、气表以及工业控制领域广泛使用。在组网通信时RS-485总线上的从机通过检测总线上的差分电压来接收主机发送的信号。但由于应用环境复杂多变，加之通信距离较长，以及出于成本考虑，在节点与节点之间通常不能采用共地设计，这样就要求RS-485通信接口芯片能够适应较宽的共模输入范围，一般要求RS-485接口电路的共模输入范围为(-7V，12V)。在这么宽共模范围的信号直接输入到接收比较器输入端，很容易使输入端口的器件因饱和或者截止而不能正常工作。尤其是在低电压供电的情况下，器件的工作窗口减小，导致这个问题更加严重。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种自适应电源电压的RS-485输入共模范围扩展电路。
本实用新型的技术方案如下：
一种自适应电源电压的RS-485输入共模范围扩展电路，包括偏置电路、缓冲放大器、输入电压调节电路和电位平移电路；
所述偏置电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻串联，此串联电路一端连接电源电压，另一端接地；所述第一电阻和第二电阻的公共端连接缓冲放大器的输入端；
所述输入电压调节电路包括第三电阻和第四电阻；所述第三电阻和第四电阻串联，此串联电路一端为电压输入端口，另一端连接缓冲放大器的输出端；
所述电位平移电路包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管和第二三极管均为PNN型三极管，第一三极管和第二三极管的集电极接地，基极连接第三电阻和第四电阻的公共端，发射极作为电路的输出端，连接后级电路中比较器电路的输入端。
其进一步的技术方案为：所述第三电阻为可变电阻；还包括检测-控制模块，所述检测-控制模块包括第五电阻、第六电阻、比较器以及N型MOS管；所述第五电阻和第六电阻，此串联电路一端连接电源电压，另一端接地；第五电阻和第六电阻的公共端连接比较器的正向输入端，比较器的负向输入端输入参考电压，比较器的输出端连接MOS管的栅极，MOS管的漏极连接第三电阻的一端，MOS管的源极连接第三电阻的阻值调节端。
本实用新型的有益技术效果是：
本实用新型提出了一种结构简单的、可以跟随电源电压变化自动适应的共模放大电路，使输入端口的器件即使在低电源电压下，也能够正常工作，而在高电源电压下则可以提供更高的比较精度。
附图说明
图1是本实用新型的电路图。
图2是检测-控制模块的原理示意图。
具体实施方式
图1是本实用新型的电路图。本实用新型包括偏置电路、缓冲放大器、输入电压调节电路和电位平移电路。
偏置电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻R2串联，此串联电路的一端连接电源电压VDD，一端接地。第一电阻R1和第二电阻R2的公共端连接缓冲放大器Buffer的输入端。
输入电压调节电路包括第三电阻R3和第四电阻R4。第三电阻R3和第四电阻R4串联，此串联电路一端为电压输入端口PIN A，另一端连接缓冲放大器Buffer的输出端。
电位平移电路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2。第一三极管Q1和第二三极管Q2均为PNN型三极管，第一三极管Q1和第二三极管Q2的集电极接地，基极连接第三电阻R3和第四电阻R4的公共端。 第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极作为本实用新型所述的电路的输出端，连接后级电路，即比较器电路的输入端口。
如图1所示，本实用新型的工作原理为：
缓冲放大器Buffer的输出电压Vcm为：
V c m = V D D * R 2 R 1 + R 2 = K 1 * V D D - - - ( 1 )
缓冲放大器Buffer将偏置电路中第一电阻R1和第二电阻R2的公共端的输出电压信号增强。
电压输入端口PIN A处所输入的电压为VA；而第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极电压Vb为：
V b = K 1 * V D D + ( V A - K 1 * V D D ) * R 4 R 4 + R 3 - - - ( 2 )
将式(2)中的记为K2；
由式(1)、式(2)可得：
V b = K 1 * V D D + ( V A - K 1 * V D D ) * K 2 = K 1 * ( 1 - K 2 ) * V D D + K 2 * V A - - - ( 3 )
由于PNN型的第一三极管Q1和第二三极管Q2能够正常工作的条件是基极电压范围在-0.3V～VDD-0.7V之间，若基极电压低于-0.3V，则三极管的BC结可能出现正偏漏电，若基极电压高于VDD-0.7V，则三极管的BE结无法正常偏置。即存在共模输入的边界条件：
-0.3≤Vb≥VDD-0.7V (4)
将式(3)带入式(4)所示的边界条件：
K1*(1-K2)*VDD+0.3≥-K2*VA (5)
[1-K1*(1-K2)]*VDD-0.7V≥K2*VA (6)
由于K1和K2均为大于0且小于1的比例系数，因此在式(5)和式(6)中，电源电压VDD的系数都为正，因此由式(5)和式(6)容易得知，对于同样的VA、K2、K1，VDD的值越大，越容易满足共模输入的边界条件；同样，对于同样的VA、K1、VDD，K2越接近0，越容易满足共模输入的边界条件。
但对于高精度的应用，K2越小，则电路对应的误差越大，假设 缓冲放大器Buffer的随机失调和系统失调导致的误差为VOS，与之对应，电压输入端口PIN A上所输入的误差将会被放大，放大倍数为：
V O S _ P I N A = V O S * 1 K 2 - - - ( 7 )
因此，为了将精度提高，K2应该在满足共模输入的边界条件的前提下，尽量取较大值。
而电源电压VDD大小不同，K2的选择范围也有所不同。
在电源电压VDD较大时，K2的取值较大，如当VDD＝5V，K1＝0.3，则K2＝0.2时，电压输入端口PIN A的输入电压VA可在(-7V，+12V)范围内变化。
但在电源电压VDD较低时，K2的选择范围变小，如VDD＝3.3V，K1＝0.3，则此时K2＝0.1时，才能在电压输入端口PIN A的输入电压VA在(-7V，+12V)范围内变化时，满足式(4)所示的共模输入的边界条件。而结合式(7)，K2的缩小至0.1带来的后果是误差增大100％。
因此，本实用新型还提出了更优的技术方案，即增加检测-控制模块Det-Control，作用是检测电源电压VDD，并根据检测结果调节R3的大小以达到调节K2的目的。在VDD较高时，减小R3，增大K2以提高比较精度；在VDD较低时，增大R3，减小K2，以满足共模输入的边界条件。
图2是检测-控制模块的原理示意图。检测-控制模块Det-Control包括第五电阻R5、第六电阻R6、比较器COMP以及N型MOS管M1，且第三电阻R3为可变电阻。第五电阻R5和第六电阻R6串联，此串联电路的一端连接电源电压VDD，另一端接地。第五电阻R5和第六电阻R6的公共端连接比较器COMP的正向输入端，比较器COMP的负向输入端输入参考电压Vref，比较器COMP的输出端连接MOS管M1的栅极，MOS管M1的漏极连接第三电阻R3的一端，MOS管M1的源极连接第三电阻R3的阻值调节端。MOS管M1相当于一个开关电路。
如图2所示，第五电阻R5和第六电阻R6对电源电压VDD采样， 并送入比较器COMP的输入端，和参考电压Vref相比较，当电源电压VDD较高时，比较器COMP的输出端输出高电平，MOS管M1开关闭合，第三电阻R3的第一部分R3-1被短路，相当于第三电阻R3减小，则K2增大。当VDD电压较低时，比较器COMP的输出端输出为0，MOS管M1开关打开，第三电阻R3的阻值由第一部分R3-1和第二部分R3-2组成，相当于第三电阻R3增大，K2减小。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自适应电源电压的RS-485输入共模范围扩展电路，其特征在于：包括偏置电路、缓冲放大器、输入电压调节电路和电位平移电路；
所述偏置电路包括第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联，此串联电路一端连接电源电压(VDD)，另一端接地；所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的公共端连接缓冲放大器(Buffer)的输入端；
所述输入电压调节电路包括第三电阻(R3)和第四电阻(R4)；所述第三电阻(R3)和第四电阻(R4)串联，此串联电路一端为电压输入端口(PIN A)，另一端连接缓冲放大器(Buffer)的输出端；
所述电位平移电路包括第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)，所述第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)均为PNN型三极管，第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的集电极接地，基极连接第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的公共端，发射极作为电路的输出端，连接后级电路中比较器电路的输入端。
2.如权利要求1所述的自适应电源电压的RS-485输入共模范围扩展电路，其特征在于：所述第三电阻(R3)为可变电阻；还包括检测-控制模块(Det-Control)，所述检测-控制模块(Det-Control)包括第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、比较器(COMP)以及N型MOS管(M1)；所述第五电阻(R5)和第六电阻(R6)，此串联电路一端连接电源电压(VDD)，另一端接地；第五电阻(R5)和第六电阻(R6)的公共端连接比较器(COMP)的正向输入端，比较器的负向输入端输入参考电压(Vref)，比较器(COMP)的输出端连接MOS管(M1)的栅极，MOS管(M1)的漏极连接第三电阻(R3)的一端，MOS管(M1)的源极连接第三电阻(R3)的阻值调节端。
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