采用LVDS實現(xiàn)成功通信的秘訣MLVDS

1、采用LVDS實現(xiàn)成功通信的秘訣 技術分類： 通信與網(wǎng)絡   作者：JIM DIETZ與RICHARD HUBBARD，德州儀器  發(fā)表時間：2007-01-31 低電壓差分信令 (LVDS) 器件目前擁有多種版本可供選擇。通常在同一系統(tǒng)中會共存不同版本的器件，這就造成了互操作性問題。在實際可用的版本中，設計人員可選擇 LVDS、基于總線的 LVDS 以及 M-LVDS（多點 LVDS）等不同器件版本。但這些器件是否可以在同一系統(tǒng)中協(xié)同工作呢？當設計人員在一個系統(tǒng)中混合采用不同技術時，應當解決哪些問題呢？結合采用相似卻又不同的器件時，會有哪些限制呢？ 每種 LVDS

2、 技術都有其自己的優(yōu)缺點。如果我們比較單端信號與 LVDS 技術，那么 LVDS 技術的共同優(yōu)勢是低功耗、高速度以及較低的電磁干擾 (EMI) 等。其技術上的局限性則包括所支持的拓撲、允許的節(jié)點數(shù)、驅動能力以及符合的相關標準等。標準化將會盡可能減少集成問題。例如，TIA/EIA-644A 標準規(guī)范了點對點與多點應用情況下 LVDS 器件的性能。針對 M-LVDS 的 TIA/EIA-899 標準則規(guī)范了對多點器件的需求。當從頭開始開發(fā)一套系統(tǒng)時，最好選擇采用相同技術的系統(tǒng)。不過，經(jīng)常有這種情況，系統(tǒng)中通常包含來自不同供應商的模組，并且分別采用不同的 LVDS 物理層。本文內(nèi)容將幫助設計人員識別

3、集成 LVDS I/O 類型時容易犯的潛在錯誤并逐一提出了解決方案。通過檢查 M-LVDS 器件，我們能夠明確該技術支持的 I/O 級范圍。 表 1 中列出了大多數(shù)常見 LVDS 器件類型的主要參數(shù)。TIA/EIA-644A 標準及其上一版本 TIA/EIA-644 定義了對于點對點（單個驅動器、單個接收機）與多點（單個驅動器、多個接收機）器件的要求。設計人員可利用 TIA/EIA-644A 總線連接多達 32 個接收機。驅動電流為 3.5 mA，這對單端接應用而言是足夠的，但對雙端接設計而言則不夠?；诳偩€的 LVDS 可加強電流驅動的能力，同時保持了 TIA/EIA-644A 標準的大部分

4、特性。有關技術采用的接收機共模范圍與接收機閾值與 TIA/EIA-644A 相同，均為TIA/EIA-644A 的驅動器增強型版本。M-LVDS 為真正的多點特性提供了全面的補充，其 11 mA 電流驅動能力可支持雙端接或重負載背板。接收機的閾值僅為其它技術的一半，從而提高了敏感度。與驅動器相關的接收機地電勢偏移則比其它技術高了一倍。M- LVDS 提供的符合業(yè)界標準的超集，包括了其它基于總線的 LVDS 技術特性。發(fā)送器與接收機參數(shù)在表 1 的驅動器參數(shù)部分，測試負載是測試電路用來測量并報告參數(shù)表參數(shù)的阻抗。輸出差動電壓VOD與 上述測試負載相關聯(lián)。驅動器輸出電流是得到的負載電流，器件提供該

5、電流，以得到輸出差動電壓的顯示值。設計人員可用通用測試阻抗標準化驅動器強度，從而更 有目的地比較不同技術的特點。標準化的輸出差動電壓值假定每個發(fā)送器均為可驅動 100 負載的理想電流源。表格中的各種技術在各種負載范圍內(nèi)都難以作為理想的電流源，不過這種假定仍基本適用于各種技術，有助于我們進行更清晰的比較。 表 1 還表明，除 M-LVDS 之外，所有信令類的接收機閾值均為 100 mV。M-LVDS 接收機比其它技術的敏感度高一倍，其噪聲容限要高于其它 LVDS 接收機。低壓信令技術通常用于短距離數(shù)據(jù)傳輸。M-LVDS 標準發(fā)布前，±1V 的接地電位差一直是要求的性能參數(shù)。M-LVDS

6、 將驅動器與接收機間的允許接地漂移值翻了一番，以確保為多點應用的處理提供足夠大的接收機動態(tài)范圍，以便完成應用中常見的驅動器啟用與禁用等操作。制造商 在接收機中集成了多種自動防護功能，因此設計人員必須注意每種器件的自動防護機制。M-LVDS標準明確規(guī)定了自動防護機制。M- LVDS為支持真正的多點操作提供了許多額外的特性。M-LVDS器件一般用于多插槽背板，這種系統(tǒng)的阻抗不匹配情況很多，這是由背板連接器與線路卡的傳 輸通路短線造成的。為了盡可能減小短線造成的反射，M-LVDS規(guī)范了受控上升時間，將允許的最小過渡時間設為1ns。這種邊緣速率限制了最大信號傳輸速 率，不過這對應用沒有什么實際影響，因

7、為多點信號傳輸速率通常僅被限制在200Mbps 400Mbps的范圍內(nèi)。M-LVDS 總線驅動器驅動的電壓不超過 2.4V，即使在驅動器發(fā)生爭用時也如此。這種電壓限制加上接收機能在廣泛范圍內(nèi)工作的規(guī)范一起可確保同質(zhì) M-LVDS 系統(tǒng)能夠正常工作，而且接收機能確定正確的總線狀態(tài)。 LVDS與基于總線的 LVDS 都要求接收機的工作電壓范圍介于 0V 2.4V之間。這一要求確保電壓接地電位差 為 1V。M-LVDS 要求的工作電壓范圍為-1V +3.4V，從而確保了地電位的較大偏移。由于提高了共模范圍，因此確保M-LVDS接收機能接受LVDS、基于總線的LVDS以及M-LVDS信號，從而使M-L

8、VDS成為設計混合用途系統(tǒng)時靈活的接收機技術。 自動防護運行是 M-LVDS 的又一特性，是指接收機在出現(xiàn)某種故障時或驅動器處于非工作狀態(tài)時能夠做出響應。在提出 TIA/EIA-899 標準之前，LVDS 技術可通過許多方式來實現(xiàn)自動防護運行。一些技術依靠外部電路提供已知輸出，其它技術則采用集成方法，強制輸出為某一狀態(tài)。上述方法有時不能互換，因此設 計人員必須注意產(chǎn)品說明書對自動防護運行的規(guī)范所做的描述。基于總線的 LVDS 技術屬于增強型驅動器規(guī)范，與 LVDS 處理自動防護運行的方式相同。換言之，自動防護運行不存在任何標準。由于不同器件的自動防護運行參數(shù)會互有差異，因此必須認真閱讀產(chǎn)品說明

9、書。 TIA/EIA-899標準定義了自動防護運行的有關要求，這些要求在驅動器的整個共模范圍上發(fā)揮作用。有關標準指定了50mV閾值的Type1接收機 與 100mV偏移閾值的 Type2接收機，可檢測開路與閑置總線情況。Type1接收機類似于LVDS接收機，但閾值范圍敏感性更高。Type2接收機要求偏移閾值，因此能實現(xiàn) 標準化的自動防護運行。Type2接收機能“發(fā)現(xiàn)”低于50 mV的信號以及高于150mV的信號（圖1）。 驅動器爭用 當一個以上的驅動器同時在總線上處于工作狀態(tài)時，會發(fā)生什么情況？不同的 技術如何處理驅動器爭用問題？設計人員希望至少這樣不會發(fā)生器件損壞，總線電壓能保持在一定范圍內(nèi)

10、。驅動器爭用在點對點或多點系統(tǒng)中不會出現(xiàn)，因此 TIA/EIA-644A 或基于總線的非標準 LVDS 技術都不涵蓋相關內(nèi)容。不過，M-LVDS 作為一種全面的多點標準可解決驅動器爭用問題。M-LVDS 驅動器會監(jiān)控總線電壓，并控制輸出電流，以將總線電壓限制在2.4V。TIA/EIA-899還要求禁用的器件與接收機不得影響總線，使總線電壓不超過 2.4V 的限制?？紤]到上述的規(guī)范要求，同質(zhì)的M-LVDS技術系統(tǒng)不會出現(xiàn)電壓超過2.4V的情況。驅動器的輸出電壓、接收機的 閾值電壓以及接收機的共模電壓對解決不同類型 LVDS 器件間的互操作性問題非常重要。我們從表 1 看到，標準化負載電壓技術的變

11、化可達三倍。這種差異說明，在點對點與多點系統(tǒng)中采用不同類型的技術，會使問題變得非常復雜。接收機能否處理這些升高的負載 電平，取決于接收機的共模電壓范圍以及最大差動輸入電壓。我們從表1中看到，M-LVDS接收機提供了最大的共模電壓范圍，在與其它驅動器接口相連時，還 能提供最大的容限。不過這并不是全部情況，噪聲容限在互操作性決策方面非常重要。差動總線架構的噪聲容限是最小驅動器差動輸出電壓減去最大接收機輸入閾值所得的值。表1中假定的電流源生成表2中標準化的電壓，表2是數(shù)據(jù)表負載標準化測試負載（100與40測試負載）下的最小差動輸出電壓。40測試負載值來自對多點背板系統(tǒng)的實際估算。有關標準針對符合標準

12、的器件全面定義了噪聲容限。TIA/EIA-644A 標準規(guī)定，在同質(zhì)系統(tǒng)中，如噪聲容限為 147 mV，則最小輸出差動電壓為 247 mV，最大閾值電壓為 100 mV。其它基于總線的 LVDS 技術不符合有關標準，因此設計人員應認真研究每個基于總線的 LVDS 的參數(shù)表，以計算得出適當?shù)脑肼暼菹?。M-LVDS 的噪聲容限為480mV50mV或430mV。了解負載情況非常重要。表2顯示了輸出差動電壓在負載變化時的差異情況。該表還針對系統(tǒng)采用混合技術時的 噪聲容限提出了相關問題。M-LVDS 演示系統(tǒng) 圖 2 顯示了一款多點 M-LVDS 演示系統(tǒng)，給出了實際環(huán)境下 M-LVDS 的性能。在這款

13、 21 卡的演示系統(tǒng)中，卡間距離為 0.8 英寸。背板線跡具有 130 的差動阻抗。連接器、器件以及柱腳 與卡間距接合緊密，使 130 的背板阻抗有效降低為 40 左右。多點背板演示系統(tǒng)采用 40 的阻抗，而點對點演示系統(tǒng)采用 100 的阻抗，并對兩者進行了比較。表 3 就采用相同技術以及混合技術的系統(tǒng)給出了差動噪聲容限的計算值，其中采用了 M-LVDS 標準化。盡管 LVDS 的噪聲容限較低，但它仍能在 100 的環(huán)境下驅動所有采用其它技術的驅動器。在點到點系統(tǒng)中，設計人員通常為加快速度而選擇 LVDS，如果噪聲容限比速度更重要，那么就選擇 M-LVDS。在同質(zhì)系統(tǒng)中，M-LVDS在40或1

14、00架構情況下有最大的噪聲容限。噪聲容限通過線跡、連接器、線纜以及背板等為驅動信號提供 基礎，對于點對點系統(tǒng)也如此。真正的多點系統(tǒng)產(chǎn)生的負載需要較高的噪聲容限，因此我們有必要采用M-LVDS 等技術。LVDS主要針對100環(huán)境下的使用情況，因此不適用于超過TIA/EIA-644A標準的負載。采用混合技術時需要涉及的最后一個問題是接收機共模。在大多數(shù)情況下，對LVDS以 及基于非標準總線的技術來說，驅動器與接收機間可允許的地電勢差異為±1V。盡管這只是近似正確，而設計人員真正需要注意的是接收機在規(guī)范極限內(nèi)能夠承受 的允許差值。對 LVDS 來說，驅動器的共模輸出范圍為 1.125V 1

15、.375V，典型值為 1.2V。LVDS 接收機接受的輸入范圍為 0V 2.4V，這就是說，接收機的接地偏移可能約為 1V。如果驅動器在共模范圍的高端提供最大輸出差動電壓（如 1.375V 共模電壓情況下，輸出差動電壓 450 mV），那么接地偏移可能會小一些。上述要求意味著，允許的接地偏移僅為 800 mV。一些廠商提供的 SN65LVDS33D 等接收機具有較大的輸入范圍，此處的范圍介于-4V +5V 之間。針對 M-LVDS 的TIA/EIA-899規(guī)范要求的輸入電壓范圍為-1 +3.4V。 LVDS 是一項非常適合點對點及多點系統(tǒng)的技術。LVDS 及 M-LVDS 接口均建立在標準基礎之上，而其它基于總線的 LVDS 技術則 并