SN65LVDx10x系列差分轉(zhuǎn)換器/中繼器：高速信號(hào)處理的理想之選

在當(dāng)今高速發(fā)展的電子領(lǐng)域，對(duì)于高速、穩(wěn)定信號(hào)處理的需求與日俱增。TI推出的SN65LVDS100、SN65LVDT100、SN65LVDS101和SN65LVDT101這一系列差分轉(zhuǎn)換器/中繼器，憑借其出色的性能和廣泛的適用性，成為了眾多工程師在信號(hào)處理設(shè)計(jì)中的首選。下面，我們就來(lái)深入了解一下這些器件。

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產(chǎn)品概述

SN65LVDx10x系列是高速差分接收器和驅(qū)動(dòng)器，它們作為中繼器使用，能以高達(dá)2 Gbps的速率接收低電壓差分信號(hào)（LVDS）、正發(fā)射極耦合邏輯（PECL）或電流模式邏輯（CML）輸入信號(hào)，并將其重復(fù)輸出為L(zhǎng)VDS或PECL信號(hào)。其信號(hào)路徑采用差分設(shè)計(jì)，有效降低了輻射發(fā)射，并將附加抖動(dòng)降至最低。

該系列產(chǎn)品具有低功耗的特點(diǎn)，是MC100EP16的低功耗替代方案。同時(shí)，它的器件間偏差最大僅為100 ps，接收器輸入閾值遲滯為25 mV，輸入電壓范圍為0 - 4 V，輸入與LVPECL、CML和LVDS信號(hào)電平電氣兼容，采用3.3 V電源供電，LVDT集成了110 Ω終端電阻，有SOIC和MSOP兩種封裝可供選擇。

產(chǎn)品特性

接收器特性

• 寬電壓和共模范圍：接收器電路支持接收大多數(shù)低電壓差分信號(hào)，輸入信號(hào)范圍為0 - 4 V。以一個(gè)具有400 mV差分輸入電壓的信號(hào)為例，在最大推薦輸入電壓為4 V的情況下，可同時(shí)支持400 mV的差分電壓和0.2 - 3.8 V的共模電壓。這使得它能適應(yīng)多種不同標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)，如標(biāo)準(zhǔn)的LVDS驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的350 mV差分信號(hào)，即使信號(hào)的共模電壓發(fā)生 - 1.025 V到2.625 V的偏移，該系列接收器仍能正常接收。
• 高靈敏度與遲滯設(shè)計(jì)：當(dāng)差分輸入電壓大于100 mV時(shí)，接收器輸出高電平；小于 - 100 mV時(shí)，輸出低電平。在 - 100 mV < $V_{ID}$ < 100 mV范圍內(nèi)，輸出狀態(tài)不確定。不過(guò)，該系列接收器具有25 mV的遲滯特性，能防止在輸入電壓接近0 V時(shí)輸出頻繁切換，避免了輸出抖動(dòng)。例如，當(dāng)接收器輸入開(kāi)路或連接到高阻抗驅(qū)動(dòng)器時(shí)，若總線上的差分噪聲電壓幅值較低（約 < ±10 mV），遲滯特性可使器件輸出保持在最后已知狀態(tài)。
• 故障安全考慮：為了將附加抖動(dòng)降至最低，該系列接收器未集成故障安全功能。但可通過(guò)外部添加1.6 kΩ上拉電阻到3.3 V電源和1.6 kΩ下拉電阻到地來(lái)實(shí)現(xiàn)故障安全。不過(guò)，這種外部故障安全電路會(huì)降低差分噪聲裕量并增加輸出信號(hào)的抖動(dòng)。例如，在特定測(cè)試設(shè)置中，當(dāng)在驅(qū)動(dòng)器和接收器之間引入10米的CAT - 5 UTP電纜時(shí)，添加外部故障安全電路會(huì)使接收器輸出的過(guò)零峰 - 峰抖動(dòng)增加250 ps。
• $V_{BB}$電壓參考：SN65LVDS10x器件的4號(hào)引腳（$V{BB}$）作為電壓參考輸出，標(biāo)稱值為$V{CC}-1.35$ V。它可用于接收單端輸入信號(hào)，將其連接到器件的反相輸入引腳（3號(hào)引腳：B）。例如，當(dāng)接收單端3.3 V LVPECL信號(hào)時(shí)，$V_{BB}$的電壓非常合適。但使用時(shí)需注意，該引腳的最大源電流為400 μA，最大灌電流為12 μA，若不使用則應(yīng)保持未連接狀態(tài)。
• 集成終端電阻：SN65LVDT10x器件在其他方面與SN65LVDS10x器件相同，但集成了終端電阻。它適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)或作為多節(jié)點(diǎn)總線的最后一個(gè)接收器，但不能用于多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，否則會(huì)改變總線負(fù)載阻抗，導(dǎo)致多次反射和信號(hào)失真。

驅(qū)動(dòng)器特性

• 高速信號(hào)處理能力：該系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于在高達(dá)2 Gbps及以上的信號(hào)速率下提供高質(zhì)量的信號(hào)。信號(hào)速率受上升/下降時(shí)間和附加抖動(dòng)等因素影響。例如，SN65LVDS100在接收CML信號(hào)并轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS信號(hào)時(shí)，在2 Gbps的速率下，LVDS輸出信號(hào)的差分輸出電壓至少為247 mV，標(biāo)稱值為340 mV。當(dāng)信號(hào)速率超過(guò)2 Gbps時(shí)，輸出信號(hào)的垂直眼圖開(kāi)口會(huì)減小，但這不一定會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能，需要進(jìn)行信號(hào)鏈噪聲分析來(lái)確定。
• 低抖動(dòng)性能：在2 Gbps的信號(hào)速率下，該系列器件的標(biāo)稱總抖動(dòng)為28 ps，最壞情況下為65 ps。抖動(dòng)會(huì)使眼圖在水平方向上閉合，而最終消費(fèi)者的抖動(dòng)容限將決定這種眼圖閉合是否可接受。

應(yīng)用案例

PECL到LVDS轉(zhuǎn)換

使用SN65LVDS100將LVPECL信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS信號(hào)非常簡(jiǎn)單。LVPECL驅(qū)動(dòng)器的共模輸出約為2 V，差分輸出電壓約為600 - 800 mV，這完全在SN65LVDS100的共模范圍和高靈敏度接收器的信號(hào)要求之內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用50 Ω下拉電阻到$V_{CC}-2$ V。

LVDS到3.3 - V PECL轉(zhuǎn)換

SN65LVDT101可方便地將LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VPECL信號(hào)。LVDS驅(qū)動(dòng)器的共模輸出為1.2 V，差分輸出電壓約為350 mV，同樣在SN65LVDT101的工作范圍內(nèi)。該器件集成了LVPECL轉(zhuǎn)換器所需的負(fù)載電阻，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

其他轉(zhuǎn)換應(yīng)用

該系列產(chǎn)品還可用于5 - V PECL到3.3 - V PECL轉(zhuǎn)換、CML到LVDS或3.3 - V PECL轉(zhuǎn)換、單端3.3 - V PECL到LVDS轉(zhuǎn)換、單端CMOS到LVDS或3.3 - V PECL轉(zhuǎn)換以及交流耦合信號(hào)的接收等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

設(shè)計(jì)建議

電源供應(yīng)

LVDS驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為使用3.0 - 3.6 V的單電源供電。在實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)器和接收器可能位于不同的電路板或設(shè)備中，此時(shí)應(yīng)使用單獨(dú)的電源。驅(qū)動(dòng)器和接收器電源的地電位差應(yīng)小于|±1 V|，同時(shí)應(yīng)使用板級(jí)和局部器件級(jí)的旁路電容。

布局設(shè)計(jì)

• 傳輸線拓?fù)?/strong>：現(xiàn)代印刷電路板通常提供微帶線和帶狀線兩種傳輸線選項(xiàng)。微帶線是PCB外層的走線，帶狀線是兩層接地平面之間的走線。TI建議在可能的情況下，將LVDS信號(hào)路由在微帶傳輸線上，因?yàn)樗茏屧O(shè)計(jì)者根據(jù)整體噪聲預(yù)算和反射允許范圍指定$Z_{0}$的必要公差。
• 介質(zhì)類型和電路板結(jié)構(gòu)：對(duì)于LVDS信號(hào)，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(hào)的上升或下降時(shí)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。在選擇介質(zhì)后，電路板的銅重量、鍍層厚度等參數(shù)也會(huì)影響性能。
• 堆疊布局：為減少TTL/CMOS到LVDS的串?dāng)_，建議使用至少兩個(gè)單獨(dú)的信號(hào)層。六層電路板是較好的選擇，它能將每個(gè)信號(hào)層與電源層至少通過(guò)一個(gè)接地平面隔離開(kāi)來(lái)，提高信號(hào)完整性，同時(shí)為布局設(shè)計(jì)者提供更大的靈活性。
• 走線間距：LVDS鏈路的差分對(duì)之間應(yīng)緊密耦合，以利用電磁場(chǎng)抵消效應(yīng)，減少噪聲耦合。差分對(duì)的走線應(yīng)具有相同的電氣長(zhǎng)度，以確保平衡，減少偏差和信號(hào)反射問(wèn)題。對(duì)于相鄰的單端走線，應(yīng)遵循3 - W規(guī)則，即走線間距應(yīng)大于單條走線寬度的兩倍，或從走線中心到走線中心測(cè)量為走線寬度的三倍。同時(shí)，應(yīng)避免使用自動(dòng)布線器，因?yàn)樗赡軣o(wú)法考慮到所有影響串?dāng)_和信號(hào)反射的因素，盡量避免90°急轉(zhuǎn)彎，可使用連續(xù)的45°轉(zhuǎn)彎來(lái)減少反射。
• 串?dāng)_和地彈最小化：為減少串?dāng)_，應(yīng)提供盡可能靠近原始走線的高頻電流返回路徑，通常使用接地平面來(lái)實(shí)現(xiàn)。保持走線盡可能短，并在其下方鋪設(shè)不間斷的接地平面，可減少電磁輻射。應(yīng)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。