SD2085

SD2085 低功耗 HART 调制解调器 特点 SD2085 使用相位连续的频移键控 FSK 技术，传输速率为 1200 位/秒，采用半双工 通信，符合 HART 协议物理层要求。芯片调 制模式的最大电源电流在 3.6V 电压及外部 3.6864MHz 时钟下为 85μA。 单芯片、半双工 1200bps FSK 调制解调器 z 符合 HART 通信协议物理层要求 z 符合 Bell202 标准载波 1200Hz 和 2200Hz z HART 波形整形输出具有额外驱动能力 z 数字信号处理确保可靠的输入信号检测 z UART 接口 z 工作电压 2.7V~3.6V z 低功耗,调制模式下最大功耗为 85μA z -55℃至+125℃工作温度范围 z 20 引脚 5mm x 5mm x 0.75mm TQFN 封装 z 满足 RoHS 环保要求 z HART 输入信号通过模数转换器(ADC) 采样，然后进行数字滤波与解调，该架构确 保在干扰环境下能进行可靠的信号检测。数 模转换器 (DAC)输出产生频率为 1200Hz 和 2200Hz 的相位连续梯形波。 由于 SD2085 具有丰富的集成模块，所需 外围元件少，并采用 5mm x 5mm 的 QFN 封装，可极大节省电路板空间，因此非常适 合主机和从机配置下的低功耗环路供电型应 用。 描述 SD2085 是一款专为实现 HART 协议而 设计的 CMOS 单片调制解调器芯片，用于支 持 HART 协议的现场仪表和控制器中。器件 集成了所有必要的滤波、信号检测、调制、 解调及 HART 信号波形整形等功能，所以芯 片只需少量外围无源元件，即可满足 HART 物理层规范功能要求。 订购信息 封装形式 订货名称 QFN20 5mm х 5mm SD2085 16 DVSS 20 D_IN 19 D_OUT 18 DVSS 17 NC 管脚图和管脚描述 15 AVSS 14 FSK_IN DVDD 1 13 REF 12 FSK_OUT 11 AVDD XCEN 10 RTSb 6 XTAL1 7 RESETb 4 OCD 5 SDIC XX 2085 XATL2 8 DVSS 9 DVDD 2 DVSS 3 顶视图 图 1. QFN20 管脚图 晶华微电子 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 2015/5 第 1 页 共 8 页 SD2085 表 1. 管脚描述 序号  管脚名称  属性  1，2 DVDD 数字电源 数字电源，应与 AVDD 同一电压。 DVSS 数字地 数字地，应将此引脚连接到 AVSS。 4 RESETb 数字输入 芯片复位，低电平有效。 5 OCD 数字输出 载波检测，高电平表示 FSK_IN 载波有效。 6 RTSb 数字输入 7 XTAL1 模拟输入 外部 3.6864MHz 晶振连接端或外部时钟源输入端。 8 XTAL2 模拟输出 外部 3.6864MHz 晶振连接端，如果使用外部时钟源，此引脚需悬空。 10 XCEN 数字输入 晶振电路使能，低电平有效。 11 AVDD 模拟电源 模拟电源。 12 FSK_OUT 模拟输出 HART FSK 信号输出端，连接到 4-20 毫安电流环回路。 13 REF 模拟输出 内部 1.5V 基准电压输出端。应接 1μF 电容至 AVSS。 14 FSK_IN 模拟输入 HART FSK 信号输入端，信号来自 4-20 毫安电流环回路端口。 15 AVSS 模拟地 17 NC - 19 D_OUT 数字输出 解调后的 HART 数据，送到外部 UART 接口。 20 D_IN 模拟输入 待发送数据，即调制器的数据输入端，调制后经 FSK_OUT 发送。 EPAD AVSS 模拟地 3，9， 16，18 管脚描述  发送请求，低电平使能调制器并禁用解调器，芯片处于发送模式；高电平使能解调 器并禁用调制器，芯片处于接收模式。 模拟电路地。 悬空引脚，可接 DVDD 或 DVSS。 模拟电路地。对于典型应用，连接到 #15 引脚。 功能描述 DVDD SD2085 XTAL1 稳压器 XTAL2 XCEN AVDD 振荡器 基准 电压源 REF 缓冲器 FSK_OUT RTSb D_IN OCD D_OUT 控制逻辑 NC 调制器 波形 整形 数模 转换器 载波检测 & 解调器 数字 滤波器 模数 转换器 RESETb FSK_IN AGND DGND 图 2. 功能框图 图 2 是 SD2085 的 功 能 模 块 框 图 ， SD2085 是一款单芯片、低功耗、HART FSK 半双工调制解调器，符合 HART 物理层要求。 晶华微电子 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 2015/5 内部集成了用于发送数据的调制器、波形整 形器、DAC、HART 输出缓冲器，用于接收 数据的 ADC、数字滤波器、解调器、载波检 第 2 页 共 8 页 SD2085 测电路。另外，还内置基准电压源、晶振振 荡器电路和供数字电路电源的 LDO。由于具 有这样丰富的集成选项，因此所需外部元件 极少，非常适合 HART 现场仪表和主机配置。 SD2085 能 够 发 送 或 接 收 1200Hz 和 2200Hz FSK 信号，如图 3 所示，1200Hz 信 号表示数字“1”，2200Hz 信号表示数字“0”， 比特率为 1200 位/秒。 器件支持外部晶振和 CMOS 时钟输入 两种时钟配置。 输入D_IN的信号是一个标准的UART帧， 如图4所示，该帧包含一个起始位、8位数据、 一个奇偶校验和一个停止位。 FSK_OUT引脚驱动纯容性负载时，负载应 在 4.7nF 至 68nF 范 围 之 内 ， 容 性 负 载 越 大 ， SD2085需要消耗更多的电流，表3中的功耗规 格是基 于FSK_OUT驱 动 4.7nF容性负 载的情 况。 如果需要驱动带有阻性元件的负载，建议 在FSK_OUT引脚和地之间连接一个22nF电容， 而阻性负载应通过一个2.2μF串联电容进行耦 合隔直。对于低阻抗器件，阻性负载RLOAD范围 通常为200Ω至600Ω，具体的连接如图5所示。 数字“0” = 2200Hz 数字“1” = 1200Hz 连续的梯形波，在内部通过缓冲器输出至 FSK_OUT引脚。FSK_OUT输出的梯形波摆幅 为0.5V~1.0V，直流电平为0.75V。 V t 图 3. HART FSK 信号 SD2085 FSK 调制器 2.2µF FSK_OUT 当RTSb信号设为低电平，SD2085处于发 送模式，调制器通过波形整形电路，将D_IN输 入端的非归零制(NRZ)数字信号，转换成一系 列1200Hz和2200Hz符合HART协议要求、相位 22nF RLOAD 图5. FSK_OUT驱动阻性负载 1200bps/833us START D_IN STOP 8-BIT DATA + PARITY FSK_OUT 图 4. SD2085 调制波形图 晶华微电子 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 2015/5 第 3 页 共 8 页 SD2085 FSK 解调器 响仍可忽略。 HART位流是一个标准的UART帧，如图7 所示，该帧包含一个起始位、8位数据、一个 奇偶校验和一个停止位。 FSK_OUT SD2085 外部带通滤波器配置如图6所示。输入端 包含200 kΩ电阻，将电流限制在足够低水平。 这种情况下，输入端具有很高的瞬态电压保护 能力，即使在要求最苛刻的工业环境中，也无 需额外的保护电路。假设电阻精度选择1%，电 容精度选择10%，构成的滤波器对载波检测影 REF 1µF 1.2M FSK_IN 200k 300pF 1.2M HART 网络 当RTSb信号设为高电平，SD2085处于接 收模式。HART信号通过外部带通滤波器进行 抗混叠滤波之后到达FSK_IN，OCD高电平表 示检测到载波有效，解调器接收FSK_IN的FSK 信号，通过ADC、数字滤波和数字解调器，最 终在D_OUT上恢复出原始信号，并在此引脚输 出到外部UART。 HART 180pF 信号 图6. SD2085外部带通滤波器连接 HART_ IN 8 - BIT DATA + D_ OUT START PARITY 1200bps /833us STOP 图7. SD2085解调波形图 时钟配置 SD2085提供两种时钟配置选项：外部晶振 和CMOS时钟输入。 XTAL1 3.6864MHz 外部晶振的典型连接如图8所示，将XCEN 置为低电平，晶振采用3.6864MHz.。晶振和电 容应尽量靠近SD2085。 C1 XTAL1 8pF 3.6864 MHz SD2085 8pF XTAL2 XCEN C2 图8.晶振连接 CMOS时钟典型连接如图9所示，将XCEN 置为高电平，并将3.6864MHz外部时钟源连至 XTAL1引脚，而XTAL2引脚保持开路状态。 晶华微电子 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 2015/5 DVDD SD2085 XTAL2 XCEN 图9.外灌CMOS时钟连接 省电模式 RESETb设为低电平时，SD2085内部电路 全部复位，并置于省电模式。在此模式下，接 收、发送和振荡器全部关断，器件的最大功耗 为5µA。 RESETb变成高电平时，SD2085即返回上 电状态。若不使用复位功能，此引脚可以固定 接到DVDD。 第 4 页 共 8 页 SD2085 使用SD2085 典型应用图 图10显示利用SD2085与SD2421(4-20mA 环路供电型DAC)实现的带HART协议的智能 变送器典型应用电路。该电路极大简化了系统 设计，增强了可靠性并减少了整体PCB尺寸。 电源通过并联的1μF电容和0.1μF电容去耦至 地，REF引脚接1μF电容去耦至地。 器SD2085的FSK_IN引脚，SD2085将信号解调 并经D_OUT引脚传输到微处理器。 要发送HART数据时，微处理器将逻辑信 号传至SD2085的D_IN引脚，SD2085进行调制 以及波形整形后，经FSK_OUT引脚和CC 耦合 至SD2421的C3引脚上，再通过SD2421发送到 电流环路上。 HART信号从电流环LOOP+端进入智能变 送器，经过外围带通滤波到达HART调制解调 FSK_OUT SD2085 HART 调制解调器 MODE RESETb XCEN XTAL2 DVDD 1µF 0.1µF DVSS 1µF 300pF 180pF 1.2M AVSS 耗尽型 NFET LOOP+ 2.2µF 10nF VDD VREF 4.7µF 100k 1.25V 16位 模数 转换器 VREF1 LV VCC BOOST COMP VREF2 4.7µF MCU SD2421 DRIVE 电流 数模转换器 VREF IN LATCH CLOCK GND GND 200k FSK_IN VDD 温度 传感器 1.2M 1µF VCC 物理量 测量 传感器 0.1µF REF XTAL1 RTSb D_IN D_OUT OCD VCC VCC 3.3V AVDD DATA C1 10nF 10nF 4-20mA 电流环 电压源 1k 1nF COM C2 C3 LOOPRTN LOOP- 0.47µF 0.15µF CC 6.8nF 图10. 带HART数字通信功能的典型4-20mA智能变送器 晶华微电子 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 2015/5 第 5 页 共 8 页 SD2085 电气特性 表 2. 极限参数 Symbol Parameter Minimum Maximum Unit TA 工作温度 -55 +125 ℃ TS 储存温度 -65 +150 ℃ AVDD 至 AVSS 模拟供电电压 -0.3 +7.0 V DVDD 至 DVSS 数字供电电压 -0.3 +7.0 V AVSS 至 DVSS 模拟数字电源地 -0.3 +0.3 V 模拟输入至 AVSS 模拟端口偏压 -0.3 AVDD+0.3 或+7(取较小者) V 数字输入至 DVSS 数字端口偏压 -0.3 DVDD+0.3 或+7(取较小者) V TL 回流焊温度曲线 参考 IPC/JEDECJ-STD-020C ℃ ESD 注意： 1. 2. 人体模型 4000 V 机械模型 400 V CMOS 器件易被高能静电损坏，芯片必须储存在导电泡沫，注意避免工作电压超出范围。 在插拔芯片前请关闭电源。 表 3. 电气参数（除非另有说明，AVDD/DVDD=+2.7V~+3.6V；TA=-55℃~+125℃；AVSS/DVSS=0V；外部晶振， XTAL1/XTAL2 分别对地接 8pF电容；FSK_OUT带 4.7nF负载。） 标识 AVDD DVDD IDD1 参数名称 最小值 典型值 最大值 单位 电源电压 2.7 3.3 3.6 V 97 125 130 500 550 80 85 450 500 5 1.52 μA μA AVDD 和 DVDD 功耗 解调模式 125 67 AVDD 和 DVDD 功耗 调制模式 95 IDD0 VREF VREF OCD 位 置 FSK_IN FSK_OU T FSK_OUT 外部时钟 晶华微电子 省电模式功耗 初始精度 负载调整率 电压调整率 载波有效幅度 输入范围 1.48 90 0 2.5 1.5 1.5 60 105 115 1.5 μA μA µA V ppm/μA μV/V mVp-p V 输出幅度 500 mVp-p 逻辑“1”频率 逻辑“0”频率 相位连续性误 差 最大阻性负载 频率精度 1200 2200 Hz Hz 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 3.6496 2015/5 160 3.6864 0 度 3.7232 Ω MHz 条件/备注 外部时钟、-55℃至+85℃ 外部时钟、-55℃至+125℃ 外部晶振、-55℃至+85℃ 外部晶振、-55℃至+125℃ 外部时钟、-55℃至+85℃ 外部时钟、-55℃至+125℃ 外部晶振、-55℃至+85℃ 外部晶振、-55℃至+125℃ 利用 500μA 负载测试 负载如图 5 所示的 RLOAD 第 6 页 共 8 页 SD2085 数字输入参数 VIH 逻辑高电平 VIL 逻辑低电平 IIH 高电平电流 IIL 低电平电流 ±0.1 ±0.1 V V μA μA 0.7*DVDD 0.3*DVDD t1 载波起始时间 0.3 位时间1 t2 载波停止时间 1 位时间1 t3 载波衰减时间 1 位时间1 t4 载波检测开启 6 位时间1 t5 载波检测关闭 6 位时间1 从 RTSb 下降沿到载波到达第一个波 峰的时间。参考图 11。 从 RTSb 上升沿到载波幅度降至最小 接收幅度以下的时间。参考图 12。 从 RTSb 上升沿到载波幅度降至交流 零的时间。参考图 12。 从载波开启到 OCD 上升沿的时间。 参考图 13。 从载波关闭到 OCD 下降沿的时间。 参考图 14。 说明： 1. 位时间是指传输一位数据所需的时间长度，即 1 个位时间 = 1/1200Hz = 833.333µs。 晶华微电子 图 11. 载波起始时间 图 12. 载波停止/衰减时间 图 13. 载波检测开启时序 图 14. 载波检测关闭时序 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 2015/5 第 7 页 共 8 页 SD2085 封装规格 D2 Nd L D h 1 2 1 2 E E2 Ne h e b 外露散热焊盘 顶视图 A 底视图 A1 c 尺寸：毫米（mm） 标识 最小值 典型值 最大值 A 0.70 0.75 0.80 A1 — 0.02 0.05 b 0.25 0.30 0.35 c 0.18 0.20 0.25 D 4.90 5.00 5.10 D2 3.05 3.15 3.25 E 4.90 5.00 5.10 E2 3.05 3.15 3.25 e 0.65BSC Ne 2.60BSC Nd 2.60BSC L 0.45 0.55 0.65 h 0.30 0.35 0.40 图 15. QFN20 封装外形图 晶华微电子 版本 v0 http://www.SDICmicro.cn 2015/5 第 8 页 共 8 页