SN65LVDSxxx：高速通信的可靠選擇

一、引言

在電子工程領(lǐng)域，高速數(shù)據(jù)傳輸一直是一個(gè)關(guān)鍵需求，尤其是在無線基礎(chǔ)設(shè)施、電信基礎(chǔ)設(shè)施、打印機(jī)等眾多應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性要求越來越高。德州儀器（TI）的 SN65LVDS179、SN65LVDS180、SN65LVDS050 和 SN65LVDS051 系列差分線驅(qū)動(dòng)器和接收器，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為了高速通信設(shè)計(jì)中的理想選擇。在這篇文章中，我們將深入探討這些器件的特性、應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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二、器件特性

2.1 性能卓越

• 高速通信：這些器件使用低電壓差分信號(hào)（LVDS）技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 400 Mbps 的信號(hào)傳輸速率，滿足大多數(shù)高速通信場(chǎng)景的需求。不過在不同模式下，各器件的推薦最大運(yùn)行速度有所差異，例如 SN65LVDS179 和 SN65LVDS180 在所有緩沖區(qū)激活時(shí)為 150 Mbps，而僅發(fā)送緩沖區(qū)工作時(shí)可達(dá) 400 Mbps；SN65LVDS050 和 SN65LVDS051 在所有緩沖區(qū)激活時(shí)為 100 Mbps，僅發(fā)送緩沖區(qū)工作時(shí)同樣可達(dá) 400 Mbps。
• 低功耗：在 200 MHz 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器典型功耗為 25 mW，接收器典型功耗為 60 mW，有效降低了系統(tǒng)的整體功耗。
• 低傳播延遲：驅(qū)動(dòng)器典型傳播延遲時(shí)間為 1.7 ns，接收器典型傳播延遲時(shí)間為 3.7 ns，確保了信號(hào)的快速準(zhǔn)確傳輸。

2.2 電氣特性良好

• 符合標(biāo)準(zhǔn)：滿足或超過 ANSI TIA/EIA - 644 - 1995 標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個(gè)最小差分輸出電壓幅度為 247 mV 到 400 Mbps 負(fù)載的電氣接口，能與其他符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備良好兼容。
• 高 ESD 保護(hù)：總線引腳的靜電放電（ESD）能力超過 12 kV，增強(qiáng)了器件的可靠性和穩(wěn)定性，減少了因靜電干擾導(dǎo)致的故障。
• 寬電壓范圍：采用單 3.3 - V 電源供電，LVTTL 輸入電平具有 5 - V 容限，增加了器件的適用性。

2.3 特殊特性

• 驅(qū)動(dòng)器偏移控制：通過內(nèi)置的感應(yīng)電路和控制環(huán)路，能將輸出信號(hào)的共模電壓保持在 1.2 V（±75 mV），并且在 3.0 - 3.6 V 的電源范圍內(nèi)都能穩(wěn)定維持該輸出共模電壓。
• 接收器故障安全：當(dāng)接收器輸入開路時(shí)，通過 300 - kΩ 電阻將信號(hào)線拉至 $V_{CC}$，并利用與門檢測(cè)該狀態(tài)，強(qiáng)制輸出為高電平，有效避免了因輸入信號(hào)異常導(dǎo)致的不確定輸出。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

這些器件可以作為高速、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?gòu)建模塊，適用于各種地面電勢(shì)差小于 1 V 的場(chǎng)合。具體的應(yīng)用場(chǎng)景包括無線基礎(chǔ)設(shè)施、電信基礎(chǔ)設(shè)施、打印機(jī)等。在這些應(yīng)用中，LVDS 驅(qū)動(dòng)器和接收器能夠提供高速信號(hào)傳輸，并且不需要像 ECL 類設(shè)備那樣的高功率和雙電源要求。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 電源設(shè)計(jì)

• 電源電壓：LVDS 驅(qū)動(dòng)器和接收器可以在 3.0 - 3.6 V 的單電源下工作。在設(shè)計(jì)時(shí)，要保證電源的穩(wěn)定性，以確保差分輸出電壓在整個(gè)輸出范圍內(nèi)保持標(biāo)稱的 340 mV，并且最小輸出電壓在 3.0 - 3.6 V 的電源范圍內(nèi)都能滿足 LVDS 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
• 旁路電容：旁路電容在電源分配電路中起著至關(guān)重要的作用。在板級(jí)使用大電容（10 - 1000 μF）可以在低頻段提供低阻抗路徑，但在高頻時(shí)，由于其電感值較大，效果會(huì)變差。因此，需要在集成電路附近使用較小的電容（nF - μF 范圍），如多層陶瓷芯片或表面貼裝電容（尺寸 0603 或 0805），其引線電感約為 1 nH，能有效降低高頻阻抗。

4.2 互連設(shè)計(jì)

• 互連介質(zhì)：驅(qū)動(dòng)器和接收器之間的物理通信通道可以是任何符合 LVDS 標(biāo)準(zhǔn)的平衡配對(duì)金屬導(dǎo)體，如雙絞線、雙軸線、扁平帶狀電纜或 PCB 走線?；ミB的標(biāo)稱特性阻抗應(yīng)在 100 - 120 Ω 之間，變化不超過 10%（即 90 - 132 Ω）。
• PCB 傳輸線：在 PCB 設(shè)計(jì)中，常見的傳輸線結(jié)構(gòu)有微帶線和帶狀線。微帶線是位于 PCB 外層的走線，而帶狀線是位于兩層接地平面之間的走線。TI 建議，如果可能的話，將 LVDS 信號(hào)路由在微帶傳輸線上，因?yàn)?PCB 走線允許設(shè)計(jì)者根據(jù)整體噪聲預(yù)算和反射容限來指定所需的阻抗公差。
• 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，并且盡可能靠近接收器放置，以減少電阻到接收器的短線長(zhǎng)度。如果傳輸線的目標(biāo)阻抗為 100 Ω，終端電阻應(yīng)在 90 - 110 Ω 之間。

4.3 布局設(shè)計(jì)

• 微帶與帶狀線拓?fù)?/strong>：在 PCB 設(shè)計(jì)中，微帶線和帶狀線是常見的傳輸線選擇。微帶線位于 PCB 外層，而帶狀線位于兩層接地平面之間。雖然帶狀線能有效減少電磁輻射和干擾，但從高速傳輸?shù)慕嵌葋砜矗Ь€能讓設(shè)計(jì)者根據(jù)整體噪聲預(yù)算和反射容限來更精確地控制特性阻抗。因此，TI 建議在可能的情況下，將 LVDS 信號(hào)布線在微帶傳輸線上。
• 介質(zhì)類型和板構(gòu)造：對(duì)于信號(hào)速度要求不高，信號(hào)上升或下降時(shí)間大于 500 ps 的情況，F(xiàn)R - 4 或類似的介質(zhì)通常能滿足 LVDS 信號(hào)的傳輸要求。但當(dāng) TTL/CMOS 信號(hào)的上升或下降時(shí)間小于 500 ps 時(shí)，像 Rogers?4350 或 Nelco N4000 - 13 這種介電常數(shù)接近 3.4 的材料更為合適。在確定介質(zhì)后，電路板的銅箔重量、鍍層厚度、阻焊層等構(gòu)造參數(shù)也會(huì)影響信號(hào)性能，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)指南進(jìn)行選擇。
• 推薦堆疊布局：為了減少 TTL/CMOS 信號(hào)與 LVDS 信號(hào)之間的串?dāng)_，建議采用至少兩層獨(dú)立信號(hào)層的堆疊布局。例如，四層 PCB 板可以將 LVDS 信號(hào)布線在第一層，TTL/CMOS 信號(hào)布線在第四層，中間夾著接地層和電源層；六層 PCB 板則能提供更多的信號(hào)隔離和布局靈活性，進(jìn)一步提高信號(hào)完整性。
• 走線間距：差分對(duì)之間的緊密耦合可以利用電磁場(chǎng)抵消來降低噪聲，但同時(shí)要保證差分對(duì)的電氣長(zhǎng)度一致，以減少信號(hào)偏斜和反射。對(duì)于相鄰的單端走線，建議采用 3 - W 規(guī)則，即走線間距應(yīng)大于單個(gè)走線寬度的兩倍，或者從走線中心到中心的距離為走線寬度的三倍。同樣的規(guī)則也適用于相鄰的 LVDS 差分對(duì)。
• 串?dāng)_和地彈最小化：為了減少串?dāng)_，要為高頻電流提供盡可能接近其源走線的返回路徑，通常通過接地平面來實(shí)現(xiàn)。保持走線盡可能短，并確保接地平面連續(xù)，避免接地平面出現(xiàn)不連續(xù)情況，因?yàn)檫@會(huì)增加返回路徑電感，從而提高串?dāng)_的可能性。