高速數(shù)據(jù)傳輸利器：SNx5LVDx3xx系列LVDS接收器深度剖析
高速數(shù)據(jù)傳輸利器：SNx5LVDx3xx系列LVDS接收器深度剖析
在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，低電壓差分信號（LVDS）技術(shù)憑借其低功耗、高速度和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，成為了眾多應(yīng)用的首選。德州儀器（TI）的SNx5LVDx3xx系列LVDS接收器，更是在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。今天，我們就來深入剖析一下這個系列的產(chǎn)品。
文件下載：sn65lvdt390.pdf
產(chǎn)品概述
SNx5LVDx3xx系列包括SN65LVDS386、SN65LVDS388A、SN65LVDS390等型號，以及帶有集成終端電阻的SNx5LVDT3xx系列。這些接收器能夠滿足或超越ANSI TIA/EIA - 644標(biāo)準(zhǔn)的要求，適用于多種高速數(shù)據(jù)傳輸場景。
產(chǎn)品特性
- 多種通道選擇：有4通道（'390）、8通道（'388A）和16通道（'386）三種選擇，可根據(jù)實際需求靈活配置。
- 集成終端電阻：LVDT產(chǎn)品集成了110 - Ω的線路終端電阻，省去了外部電阻的使用，簡化了設(shè)計。
- 高速傳輸能力：設(shè)計用于高達(dá)250 Mbps的信號速率，能夠滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/li>
- 高ESD保護(hù)：SN65版本的總線終端ESD超過15 kV，增強(qiáng)了產(chǎn)品的可靠性。
- 單電源供電：僅需一個3.3 - V的電源即可工作，降低了功耗和設(shè)計復(fù)雜度。
- 低延遲和低偏斜：典型傳播延遲時間為2.6 ns，輸出偏斜為100 ps（典型），器件間偏斜小于1 ns，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和同步性。
- 5 - V容限LVTTL電平：輸出電平為LVTTL，且具有5 - V容限，方便與其他電路接口。
- 開路故障保護(hù)：具備開路故障保護(hù)功能，當(dāng)輸入開路時，能確保輸出處于確定狀態(tài)。
- 直通式引腳布局：采用直通式引腳布局，便于PCB布線。
- 小型封裝：采用薄型收縮小外形封裝，引腳間距為20 mil，節(jié)省了電路板空間。
應(yīng)用領(lǐng)域
該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括：
- 無線基礎(chǔ)設(shè)施：在無線基站等設(shè)備中，用于高速數(shù)據(jù)的傳輸和處理。
- 電信基礎(chǔ)設(shè)施：如交換機(jī)、路由器等，確保數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定傳輸。
- 打印機(jī)：實現(xiàn)打印機(jī)內(nèi)部高速數(shù)據(jù)的傳輸，提高打印效率。
詳細(xì)解析
工作原理
SNx5LVDx3xx接收器的輸入信號為差分LVDS信號，輸出為LVTTL數(shù)字信號。當(dāng)輸入信號的差分電壓大于100 mV時，輸出為高電平；當(dāng)差分電壓小于 - 100 mV時，輸出為低電平；當(dāng)差分電壓在 - 100 mV至100 mV之間時，輸出狀態(tài)不確定。在輸入開路的情況下，接收器通過內(nèi)部的300 - kΩ上拉電阻將輸入信號拉至接近VCC，從而實現(xiàn)開路故障保護(hù)。
功能模塊
- 接收器輸出狀態(tài)：根據(jù)輸入差分信號的大小，準(zhǔn)確輸出高、低電平或高阻態(tài)。
- 開路故障保護(hù)：內(nèi)部的上拉電阻和閾值檢測電路確保在輸入開路時輸出為高電平。
- 共模范圍：接收器的輸入共模范圍為? × V? / 2 × V?D V至2.4 - 1 / 2 × V?D V，只要輸入信號在這個范圍內(nèi)且差分幅度大于等于100 mV，就能正確輸出LVDS總線狀態(tài)。
- 通用比較器功能：不僅適用于LVDS標(biāo)準(zhǔn)信號，還能處理符合特定差分和共模電壓范圍的其他信號。
- 接收器等效原理圖：輸入為高阻抗差分對，SNx5LVDT3xx接收器在輸入端口集成了110 - Ω的終端電阻，同時在每個輸入引腳添加了7 - V齊納二極管用于ESD保護(hù)，輸出結(jié)構(gòu)為帶有額外齊納二極管的CMOS反相器。
器件功能模式
| 差分輸入（A - B） | 使能（EN） | 輸出（Y） |
|---|---|---|
| V?D ≥ 100 mV | H | H |
| –100 mV < V?D ≤ 100 mV | H | ? |
| V?D ≤ –100 mV | H | L |
| X | L | Z |
| 開路 | H | H |
其中，H表示高電平，L表示低電平，X表示無關(guān)，Z表示高阻態(tài)，?表示不確定。
應(yīng)用與實現(xiàn)
應(yīng)用信息
SNx5LVDx3xx系列接收器通常作為高速點對點數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?gòu)建模塊，適用于接地差異小于1 V的場景。與傳統(tǒng)的ECL類設(shè)備相比，LVDS驅(qū)動器和接收器在提供高速信號速率的同時，無需ECL的高功耗和雙電源要求。
典型應(yīng)用
點對點通信
這是LVDS緩沖器最基本的應(yīng)用場景，適用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的點對點傳輸。在這種應(yīng)用中，LVDS驅(qū)動器將單端輸入信號轉(zhuǎn)換為差分信號，通過100 - Ω特性阻抗的平衡互連介質(zhì)進(jìn)行傳輸，LVDS接收器則將差分信號恢復(fù)為單端信號。
| 設(shè)計要求如下： | 設(shè)計參數(shù) | 示例值 |
|---|---|---|
| 驅(qū)動器電源電壓（V?CCD） | 3.0至3.6 V | |
| 驅(qū)動器輸入電壓 | 0.8至5.0 V | |
| 驅(qū)動器信號速率 | DC至200 Mbps | |
| 互連特性阻抗 | 100 Ω | |
| 終端電阻 | 100 Ω | |
| 接收器節(jié)點數(shù)量 | 1 | |
| 接收器電源電壓（V?CCR） | 3.0至3.6 V | |
| 接收器輸入電壓 | 0至2.4 V | |
| 接收器信號速率 | DC至200 Mbps | |
| 驅(qū)動器和接收器之間的接地偏移 | ±1 V |
詳細(xì)設(shè)計步驟：
- 驅(qū)動器電源電壓：LVDS驅(qū)動器如SN65LVDS387可在3.0至3.6 V的單電源下工作，差分輸出電壓在整個輸出范圍內(nèi)標(biāo)稱值為340 mV，在3.3 - V電源下，最小輸出電壓能滿足LVDS規(guī)定的范圍（247 mV至454 mV）。
- 驅(qū)動器旁路電容：旁路電容在電源分配電路中起著關(guān)鍵作用，它能在電源和地之間創(chuàng)建低阻抗路徑。在高速環(huán)境中，應(yīng)使用多層陶瓷芯片或表面貼裝電容（0603或0805尺寸），以減小旁路電容的引線電感。
- 驅(qū)動器輸出電壓：驅(qū)動器輸出的共模電壓為1.2 V，標(biāo)稱差分輸出信號為340 mV，峰 - 峰差分電壓為680 mV。
- 互連介質(zhì)：驅(qū)動器和接收器之間的物理通信通道可以是雙絞線、同軸電纜、扁平帶狀電纜或PCB走線，其標(biāo)稱特性阻抗應(yīng)在100 Ω至120 Ω之間，變化不超過10%。
- PCB傳輸線：PCB上常用的傳輸線結(jié)構(gòu)有微帶線和帶狀線。微帶線是頂層（或底層）的信號走線，通過介質(zhì)層與接地或電源平面隔開；帶狀線是內(nèi)層的信號走線，位于兩個接地平面之間。在設(shè)計時，應(yīng)確保傳輸線的特性阻抗符合要求，并保持走線寬度和間距的均勻性。
- 終端電阻：為了確保入射波切換，終端電阻應(yīng)與傳輸線的特性阻抗匹配，且應(yīng)盡可能靠近接收器放置。SN65LVDT386等產(chǎn)品集成了終端電阻，進(jìn)一步簡化了設(shè)計。
多點通信
在多點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個驅(qū)動器和一個共享總線連接多個接收器（最多32個）。這種應(yīng)用場景需要注意以下幾點：
- 互連介質(zhì)：與點對點系統(tǒng)不同，多點系統(tǒng)的總線架構(gòu)需要更謹(jǐn)慎的設(shè)計。發(fā)射器通常位于總線的一端，需要在遠(yuǎn)端設(shè)置一個總線終端電阻來吸收入射波。同時，應(yīng)盡量減少分支節(jié)點產(chǎn)生的短截線長度，以避免局部阻抗變化和信號反射。
- 設(shè)計要求：與點對點通信類似，但需要考慮多個接收器的負(fù)載情況。
電源供應(yīng)建議
該系列的LVDS驅(qū)動器和接收器設(shè)計為單電源供電，電源電壓范圍為2.4 V至3.6 V。在實際應(yīng)用中，驅(qū)動器和接收器可能位于不同的電路板或設(shè)備中，兩者之間的接地電位差應(yīng)小于±1 V。建議使用板級和局部設(shè)備級的旁路電容，以減少電源噪聲的影響。
PCB布局
布局指南
- 微帶線與帶狀線拓?fù)?/strong>：TI建議在可能的情況下，將LVDS信號路由在微帶傳輸線上。微帶線位于PCB的外層，雖然更容易受到輻射和干擾，但可以根據(jù)整體噪聲預(yù)算和反射允許范圍指定必要的阻抗公差。
- 介質(zhì)類型和電路板結(jié)構(gòu)：對于LVDS信號，F(xiàn)R - 4或等效材料通常能提供足夠的性能。如果TTL/CMOS信號的上升和下降時間小于500 ps，則建議使用介電常數(shù)接近3.4的材料，如Rogers?4350或Nelco N4000 - 13。在電路板結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)注意銅的重量、鍍層厚度、阻焊層等參數(shù)。
- 推薦堆疊布局：為了減少TTL/CMOS信號與LVDS信號之間的串?dāng)_，建議使用至少兩個獨(dú)立的信號層。常見的堆疊配置有四層板和六層板，通過合理安排電源層、接地層和信號層的位置，可以提高信號完整性。
- 走線間距：單端走線和差分對之間應(yīng)保持至少兩到三倍線寬的間距，以減少串?dāng)_。對于長距離平行走線，應(yīng)適當(dāng)增加間距。在使用自動布線工具時，要注意避免尖銳的90°轉(zhuǎn)彎，建議使用連續(xù)的45°轉(zhuǎn)彎來減少反射。
- 串?dāng)_和接地反彈最小化：為了減少串?dāng)_，應(yīng)提供盡可能接近原始走線的高頻電流返回路徑，通常通過接地平面來實現(xiàn)。同時，應(yīng)保持接地平面的連續(xù)性，避免出現(xiàn)不連續(xù)的情況，以降低返回路徑的電感。
布局示例
在PCB布局中，可以采用交錯走線布局來減少走線之間的間距，同時確保每個信號過孔都有相鄰的接地過孔，以保證接地信號路徑的連續(xù)性。
器件和文檔支持
器件支持
TI提供了豐富的LVDS產(chǎn)品系列，用戶可以訪問其網(wǎng)站（http://www.ti.com/sc/datatran）獲取更多相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用筆記。同時，TI不承擔(dān)對第三方產(chǎn)品或服務(wù)的適用性、質(zhì)量等方面的保證責(zé)任。
文檔支持
該器件提供IBIS建模，用戶可以聯(lián)系當(dāng)?shù)豑I銷售辦公室或訪問TI網(wǎng)站（www.ti.com）獲取更多信息。此外，還有許多相關(guān)的應(yīng)用指南可供參考，如《Low - Voltage Differential Signaling Design Notes》（SLLA014）、《Interface Circuits for TIA/EIA - 644 (LVDS)》（SLLA038）等。
相關(guān)鏈接
TI提供了快速訪問鏈接，用戶可以通過這些鏈接獲取產(chǎn)品文件夾、樣品購買、技術(shù)文檔、工具軟件和支持社區(qū)等方面的信息。
靜電放電注意事項
這些器件的內(nèi)置ESD保護(hù)有限，在存儲或處理時，應(yīng)將引腳短路或放置在導(dǎo)電泡沫中，以防止MOS柵極受到靜電損壞。
機(jī)械、封裝和訂購信息
該系列產(chǎn)品提供多種封裝選項，包括TSSOP、SOIC等，用戶可以根據(jù)實際需求選擇合適的封裝。同時，文檔中還提供了詳細(xì)的封裝信息、包裝材料信息和機(jī)械數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行設(shè)計和采購。
總結(jié)
SNx5LVDx3xx系列LVDS接收器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的性能，為高速數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的解決方案。在設(shè)計過程中，我們需要充分考慮產(chǎn)品的特性和應(yīng)用要求，合理進(jìn)行電源供應(yīng)、PCB布局等方面的設(shè)計，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用該系列產(chǎn)品時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。
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