SNx5LVDS3xxxx高速差分線路接收器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

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，成為了眾多電子工程師的首選。德州儀器（TI）的SN55LVDS32、SN65LVDS32、SN65LVDS3486和SN65LVDS9637等系列LVDS差分線路接收器，就是這一技術(shù)的杰出代表。今天，我們就來深入探討這些器件的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、器件特性

1. 電氣特性與標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性

這些接收器完全符合或超越ANSI TIA/EIA - 644標(biāo)準(zhǔn)要求。它們采用LVDS技術(shù)，將5V差分標(biāo)準(zhǔn)電平（如EIA/TIA422B）的輸出電壓降低，從而有效降低了功耗，提高了開關(guān)速度，并且能夠在3.3V電源軌下穩(wěn)定工作。在輸入共模電壓范圍內(nèi)，只需±100mV的差分輸入電壓，就能產(chǎn)生有效的邏輯輸出狀態(tài)，而且輸入共模電壓范圍允許兩個(gè)LVDS節(jié)點(diǎn)之間存在1V的地電位差。

2. 電源與性能

• 單電源供電：均采用單一的3.3V電源供電，簡化了電源設(shè)計(jì)。
• 高速率傳輸：設(shè)計(jì)支持高達(dá)150Mbps的信號傳輸速率。
• 低傳播延遲：典型傳播延遲時(shí)間僅為2.1ns，確保了數(shù)據(jù)的快速傳輸。
• 低功耗：在最大數(shù)據(jù)速率下，每個(gè)接收器的典型功耗僅為60mW。

3. 保護(hù)與兼容性

• ESD保護(hù)：具備出色的總線終端ESD保護(hù)能力，超過8kV，有效防止靜電對器件的損害。
• 邏輯輸出兼容：采用低電壓TTL（LVTTL）邏輯輸出電平，方便與其他數(shù)字電路接口。
• 引腳兼容：引腳與AM26LS32、MC3486和μA9637等器件兼容，便于進(jìn)行升級和替換。

4. 故障安全特性

對于需要冗余設(shè)計(jì)的空間和高可靠性應(yīng)用，這些接收器具備開路故障安全和冷備用功能，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

這些LVDS接收器在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，主要包括：

1. 無線基礎(chǔ)設(shè)施

在無線通信基站等設(shè)備中，高速、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。LVDS接收器能夠滿足其對數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性的要求，確保無線信號的準(zhǔn)確處理和傳輸。

2. 電信基礎(chǔ)設(shè)施

在電信交換機(jī)、路由器等設(shè)備中，需要處理大量的數(shù)據(jù)，LVDS接收器的高速性能和抗干擾能力能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。

3. 打印機(jī)

在打印機(jī)中，LVDS接收器可用于高速數(shù)據(jù)傳輸，將計(jì)算機(jī)中的打印數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)酱蛴C(jī)的控制芯片，實(shí)現(xiàn)高速打印。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電源設(shè)計(jì)

• 電源范圍：驅(qū)動和接收器的工作電壓范圍為2.4V至3.6V，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體需求選擇合適的電源。
• 旁路電容：旁路電容對于電源分配至關(guān)重要。在板級使用大電容（10μF至1000μF）可以滿足低頻需求，但在高速電路中，要在集成電路附近使用小電容（nF至μF范圍），以減小電感值。例如，可以使用多層陶瓷芯片或表面貼裝電容（0603或0805尺寸），其引線電感約為1nH。電容值可以根據(jù)公式[C{chip }=left(frac{Delta I{Maximum SPoange Supply Current }}{Delta V{Maximum Power Supply Noise }}right) × T{Rise Time }]計(jì)算。

2. 布局設(shè)計(jì)

2.1 傳輸線選擇

• 微帶線與帶狀線：PCB設(shè)計(jì)中，微帶線是外層走線，帶狀線是兩層接地平面之間的走線。雖然帶狀線的抗干擾能力強(qiáng)，但會增加額外的電容。因此，在可能的情況下，建議使用微帶線來路由LVDS信號。

  2.2 介質(zhì)與板層結(jié)構(gòu)

• 介質(zhì)選擇：對于LVDS信號，F(xiàn)R - 4材料通?？梢詽M足要求。但當(dāng)TTL/CMOS信號的上升或下降時(shí)間小于500ps時(shí)，建議使用介電常數(shù)接近3.4的材料，如Rogers?4350或Nelco N4000 - 13。
• 板層結(jié)構(gòu)：為了減少TTL/CMOS與LVDS之間的串?dāng)_，建議使用至少兩層獨(dú)立的信號層。例如，四層板結(jié)構(gòu)為：第一層為LVDS信號布線層，第二層為接地層，第三層為電源層，第四層為TTL/CMOS信號布線層。六層板結(jié)構(gòu)則能更好地隔離信號層和電源層，提高信號完整性，但制造成本較高。

  2.3 走線間距與規(guī)則

• 差分對間距：LVDS差分對需要緊密耦合，以實(shí)現(xiàn)電磁場的抵消，降低噪聲耦合。同時(shí)，差分對的長度要保持一致，以避免信號斜移和反射。
• 單端走線間距：對于相鄰的單端走線，建議采用3 - W規(guī)則，即走線間距大于單根走線寬度的兩倍，或從走線中心到中心的距離為走線寬度的三倍，以減少串?dāng)_。在使用自動布線器時(shí)要謹(jǐn)慎，避免出現(xiàn)90°的急轉(zhuǎn)彎，盡量使用45°的連續(xù)轉(zhuǎn)彎來減少信號反射。

3. 終端電阻

為了確保信號的正確傳輸，LVDS通信通道需要在傳輸線末端使用終端電阻。終端電阻的阻值應(yīng)與傳輸線的特性阻抗匹配，一般要求在100Ω至120Ω之間，誤差不超過10%。終端電阻應(yīng)盡可能靠近接收器放置，以減小電阻到接收器的短線長度。

四、典型應(yīng)用 - 點(diǎn)對點(diǎn)通信

1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

點(diǎn)對點(diǎn)通信是LVDS緩沖器最基本的應(yīng)用之一。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有一個(gè)發(fā)送器（驅(qū)動器）和一個(gè)接收器，信號通過100Ω特性阻抗的平衡互連介質(zhì)進(jìn)行傳輸。驅(qū)動器將單端輸入信號轉(zhuǎn)換為差分信號，接收器將差分信號恢復(fù)為單端信號。

2. 設(shè)計(jì)要求

3. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

3.1 設(shè)備選擇

選用Hewlett Packard HP6624A直流電源、Tektronix TDS7404實(shí)時(shí)示波器和Agilent ParBERT E4832A等設(shè)備進(jìn)行測試和調(diào)試。

3.2 驅(qū)動器電源電壓

LVDS驅(qū)動器采用單電源供電，電源電壓范圍為3V至3.6V。在3.3V電源下，差分輸出電壓的最小值應(yīng)在LVDS規(guī)定的范圍內(nèi)（247mV至454mV），標(biāo)稱值為340mV。

3.3 驅(qū)動器輸出電壓

標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)的LVDS驅(qū)動器輸出具有1.2V的共模電壓，標(biāo)稱差分輸出信號為340mV，峰 - 峰差分電壓為680mV。

3.4 互連介質(zhì)

互連介質(zhì)可以是雙絞線、雙軸電纜、扁平帶狀電纜或PCB走線等。其特性阻抗應(yīng)在100Ω至120Ω之間，誤差不超過10%。

3.5 PCB傳輸線

PCB傳輸線有微帶線和帶狀線等結(jié)構(gòu)。對于差分對，要保持走線寬度和間距均勻，以確保差分阻抗恒定。同時(shí)，要注意兩根走線之間的耦合和對稱性，避免信號干擾。

五、總結(jié)

SNx5LVDS3xxxx系列高速差分線路接收器以其出色的性能、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和豐富的功能，為電子工程師在高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們要充分考慮電源、布局、終端電阻等因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能夠?qū)Υ蠹以贚VDS技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)中有所幫助。各位工程師在使用這些器件時(shí)，是否遇到過一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。