采用LVDS實(shí)現(xiàn)成功通信的秘訣MLVDS

1、采用LVDS實(shí)現(xiàn)成功通信的秘訣 技術(shù)分類(lèi)： 通信與網(wǎng)絡(luò)   作者：JIM DIETZ與RICHARD HUBBARD，德州儀器  發(fā)表時(shí)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(huì)共存不同版本的器件，這就造成了互操作性問(wèn)題。在實(shí)際可用的版本中，設(shè)計(jì)人員可選擇 LVDS、基于總線的 LVDS 以及 M-LVDS（多點(diǎn) 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(dāng)設(shè)計(jì)人員在一個(gè)系統(tǒng)中混合采用不同技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)解決哪些問(wèn)題呢？結(jié)合采用相似卻又不同的器件時(shí)，會(huì)有哪些限制呢？ 每種 LVDS

2、 技術(shù)都有其自己的優(yōu)缺點(diǎn)。如果我們比較單端信號(hào)與 LVDS 技術(shù)，那么 LVDS 技術(shù)的共同優(yōu)勢(shì)是低功耗、高速度以及較低的電磁干擾 (EMI) 等。其技術(shù)上的局限性則包括所支持的拓?fù)?、允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)、驅(qū)動(dòng)能力以及符合的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等。標(biāo)準(zhǔn)化將會(huì)盡可能減少集成問(wèn)題。例如，TIA/EIA-644A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與多點(diǎn)應(yīng)用情況下 LVDS 器件的性能。針對(duì) M-LVDS 的 TIA/EIA-899 標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)范了對(duì)多點(diǎn)器件的需求。當(dāng)從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)一套系統(tǒng)時(shí)，最好選擇采用相同技術(shù)的系統(tǒng)。不過(guò)，經(jīng)常有這種情況，系統(tǒng)中通常包含來(lái)自不同供應(yīng)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(shè)計(jì)人員識(shí)別

3、集成 LVDS I/O 類(lèi)型時(shí)容易犯的潛在錯(cuò)誤并逐一提出了解決方案。通過(guò)檢查 M-LVDS 器件，我們能夠明確該技術(shù)支持的 I/O 級(jí)范圍。 表 1 中列出了大多數(shù)常見(jiàn) LVDS 器件類(lèi)型的主要參數(shù)。TIA/EIA-644A 標(biāo)準(zhǔn)及其上一版本 TIA/EIA-644 定義了對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（單個(gè)驅(qū)動(dòng)器、單個(gè)接收機(jī)）與多點(diǎn)（單個(gè)驅(qū)動(dòng)器、多個(gè)接收機(jī)）器件的要求。設(shè)計(jì)人員可利用 TIA/EIA-644A 總線連接多達(dá) 32 個(gè)接收機(jī)。驅(qū)動(dòng)電流為 3.5 mA，這對(duì)單端接應(yīng)用而言是足夠的，但對(duì)雙端接設(shè)計(jì)而言則不夠?；诳偩€的 LVDS 可加強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)的能力，同時(shí)保持了 TIA/EIA-644A 標(biāo)準(zhǔn)的大部分

4、特性。有關(guān)技術(shù)采用的接收機(jī)共模范圍與接收機(jī)閾值與 TIA/EIA-644A 相同，均為T(mén)IA/EIA-644A 的驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)型版本。M-LVDS 為真正的多點(diǎn)特性提供了全面的補(bǔ)充，其 11 mA 電流驅(qū)動(dòng)能力可支持雙端接或重負(fù)載背板。接收機(jī)的閾值僅為其它技術(shù)的一半，從而提高了敏感度。與驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的接收機(jī)地電勢(shì)偏移則比其它技術(shù)高了一倍。M- LVDS 提供的符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的超集，包括了其它基于總線的 LVDS 技術(shù)特性。發(fā)送器與接收機(jī)參數(shù)在表 1 的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)部分，測(cè)試負(fù)載是測(cè)試電路用來(lái)測(cè)量并報(bào)告參數(shù)表參數(shù)的阻抗。輸出差動(dòng)電壓VOD與 上述測(cè)試負(fù)載相關(guān)聯(lián)。驅(qū)動(dòng)器輸出電流是得到的負(fù)載電流，器件提供該

5、電流，以得到輸出差動(dòng)電壓的顯示值。設(shè)計(jì)人員可用通用測(cè)試阻抗標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度，從而更 有目的地比較不同技術(shù)的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)化的輸出差動(dòng)電壓值假定每個(gè)發(fā)送器均為可驅(qū)動(dòng) 100 負(fù)載的理想電流源。表格中的各種技術(shù)在各種負(fù)載范圍內(nèi)都難以作為理想的電流源，不過(guò)這種假定仍基本適用于各種技術(shù)，有助于我們進(jìn)行更清晰的比較。 表 1 還表明，除 M-LVDS 之外，所有信令類(lèi)的接收機(jī)閾值均為 100 mV。M-LVDS 接收機(jī)比其它技術(shù)的敏感度高一倍，其噪聲容限要高于其它 LVDS 接收機(jī)。低壓信令技術(shù)通常用于短距離數(shù)據(jù)傳輸。M-LVDS 標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動(dòng)器與接收機(jī)間的允許接地漂移值翻了一番，以確保為多點(diǎn)應(yīng)用的處理提供足夠大的接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，以便完成應(yīng)用中常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器啟用與禁用等操作。制造商 在接收機(jī)中集成了多種自動(dòng)防護(hù)功能，因此設(shè)計(jì)人員必須注意每種器件的自動(dòng)防護(hù)機(jī)制。M-LVDS標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了自動(dòng)防護(hù)機(jī)制。M- LVDS為支持真正的多點(diǎn)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(shí)間，將允許的最小過(guò)渡時(shí)間設(shè)為1ns。這種邊緣速率限制了最大信號(hào)傳輸速 率，不過(guò)這對(duì)應(yīng)用沒(méi)有什么實(shí)際影響，因

7、為多點(diǎn)信號(hào)傳輸速率通常僅被限制在200Mbps 400Mbps的范圍內(nèi)。M-LVDS 總線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的電壓不超過(guò) 2.4V，即使在驅(qū)動(dòng)器發(fā)生爭(zhēng)用時(shí)也如此。這種電壓限制加上接收機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)能接受LVDS、基于總線的LVDS以及M-LVDS信號(hào)，從而使M-L

8、VDS成為設(shè)計(jì)混合用途系統(tǒng)時(shí)靈活的接收機(jī)技術(shù)。 自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行是 M-LVDS 的又一特性，是指接收機(jī)在出現(xiàn)某種故障時(shí)或驅(qū)動(dòng)器處于非工作狀態(tài)時(shí)能夠做出響應(yīng)。在提出 TIA/EIA-899 標(biāo)準(zhǔn)之前，LVDS 技術(shù)可通過(guò)許多方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行。一些技術(shù)依靠外部電路提供已知輸出，其它技術(shù)則采用集成方法，強(qiáng)制輸出為某一狀態(tài)。上述方法有時(shí)不能互換，因此設(shè) 計(jì)人員必須注意產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)對(duì)自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行的規(guī)范所做的描述?；诳偩€的 LVDS 技術(shù)屬于增強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)器規(guī)范，與 LVDS 處理自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行的方式相同。換言之，自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行不存在任何標(biāo)準(zhǔn)。由于不同器件的自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行參數(shù)會(huì)互有差異，因此必須認(rèn)真閱讀產(chǎn)品說(shuō)明

9、書(shū)。 TIA/EIA-899標(biāo)準(zhǔn)定義了自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行的有關(guān)要求，這些要求在驅(qū)動(dòng)器的整個(gè)共模范圍上發(fā)揮作用。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指定了50mV閾值的Type1接收機(jī) 與 100mV偏移閾值的 Type2接收機(jī)，可檢測(cè)開(kāi)路與閑置總線情況。Type1接收機(jī)類(lèi)似于LVDS接收機(jī)，但閾值范圍敏感性更高。Type2接收機(jī)要求偏移閾值，因此能實(shí)現(xiàn) 標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行。Type2接收機(jī)能“發(fā)現(xiàn)”低于50 mV的信號(hào)以及高于150mV的信號(hào)（圖1）。 驅(qū)動(dòng)器爭(zhēng)用 當(dāng)一個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器同時(shí)在總線上處于工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況？不同的 技術(shù)如何處理驅(qū)動(dòng)器爭(zhēng)用問(wèn)題？設(shè)計(jì)人員希望至少這樣不會(huì)發(fā)生器件損壞，總線電壓能保持在一定范圍內(nèi)

10、。驅(qū)動(dòng)器爭(zhēng)用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)，因此 TIA/EIA-644A 或基于總線的非標(biāo)準(zhǔn) LVDS 技術(shù)都不涵蓋相關(guān)內(nèi)容。不過(guò)，M-LVDS 作為一種全面的多點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)可解決驅(qū)動(dòng)器爭(zhēng)用問(wèn)題。M-LVDS 驅(qū)動(dòng)器會(huì)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(jī)不得影響總線，使總線電壓不超過(guò) 2.4V 的限制?？紤]到上述的規(guī)范要求，同質(zhì)的M-LVDS技術(shù)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)電壓超過(guò)2.4V的情況。驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓、接收機(jī)的 閾值電壓以及接收機(jī)的共模電壓對(duì)解決不同類(lèi)型 LVDS 器件間的互操作性問(wèn)題非常重要。我們從表 1 看到，標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)載電壓技術(shù)的變

11、化可達(dá)三倍。這種差異說(shuō)明，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與多點(diǎn)系統(tǒng)中采用不同類(lèi)型的技術(shù)，會(huì)使問(wèn)題變得非常復(fù)雜。接收機(jī)能否處理這些升高的負(fù)載 電平，取決于接收機(jī)的共模電壓范圍以及最大差動(dòng)輸入電壓。我們從表1中看到，M-LVDS接收機(jī)提供了最大的共模電壓范圍，在與其它驅(qū)動(dòng)器接口相連時(shí)，還 能提供最大的容限。不過(guò)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(dòng)總線架構(gòu)的噪聲容限是最小驅(qū)動(dòng)器差動(dòng)輸出電壓減去最大接收機(jī)輸入閾值所得的值。表1中假定的電流源生成表2中標(biāo)準(zhǔn)化的電壓，表2是數(shù)據(jù)表負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試負(fù)載（100與40測(cè)試負(fù)載）下的最小差動(dòng)輸出電壓。40測(cè)試負(fù)載值來(lái)自對(duì)多點(diǎn)背板系統(tǒng)的實(shí)際估算。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)

12、的器件全面定義了噪聲容限。TIA/EIA-644A 標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)電壓為 247 mV，最大閾值電壓為 100 mV。其它基于總線的 LVDS 技術(shù)不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真研究每個(gè)基于總線的 LVDS 的參數(shù)表，以計(jì)算得出適當(dāng)?shù)脑肼暼菹?。M-LVDS 的噪聲容限為480mV50mV或430mV。了解負(fù)載情況非常重要。表2顯示了輸出差動(dòng)電壓在負(fù)載變化時(shí)的差異情況。該表還針對(duì)系統(tǒng)采用混合技術(shù)時(shí)的 噪聲容限提出了相關(guān)問(wèn)題。M-LVDS 演示系統(tǒng) 圖 2 顯示了一款多點(diǎn) M-LVDS 演示系統(tǒng)，給出了實(shí)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(dòng)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(diǎn)背板演示系統(tǒng)采用 40 的阻抗，而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)演示系統(tǒng)采用 100 的阻抗，并對(duì)兩者進(jìn)行了比較。表 3 就采用相同技術(shù)以及混合技術(shù)的系統(tǒng)給出了差動(dòng)噪聲容限的計(jì)算值，其中采用了 M-LVDS 標(biāo)準(zhǔn)化。盡管 LVDS 的噪聲容限較低，但它仍能在 100 的環(huán)境下驅(qū)動(dòng)所有采用其它技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器。在點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)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(gòu)情況下有最大的噪聲容限。噪聲容限通過(guò)線跡、連接器、線纜以及背板等為驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供 基礎(chǔ)，對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)也如此。真正的多點(diǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)載需要較高的噪聲容限，因此我們有必要采用M-LVDS 等技術(shù)。LVDS主要針對(duì)100環(huán)境下的使用情況，因此不適用于超過(guò)TIA/EIA-644A標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載。采用混合技術(shù)時(shí)需要涉及的最后一個(gè)問(wèn)題是接收機(jī)共模。在大多數(shù)情況下，對(duì)LVDS以 及基于非標(biāo)準(zhǔn)總線的技術(shù)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器與接收機(jī)間可允許的地電勢(shì)差異為±1V。盡管這只是近似正確，而設(shè)計(jì)人員真正需要注意的是接收機(jī)在規(guī)范極限內(nèi)能夠承受 的允許差值。對(duì) LVDS 來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器的共模輸出范圍為 1.125V 1

15、.375V，典型值為 1.2V。LVDS 接收機(jī)接受的輸入范圍為 0V 2.4V，這就是說(shuō)，接收機(jī)的接地偏移可能約為 1V。如果驅(qū)動(dòng)器在共模范圍的高端提供最大輸出差動(dòng)電壓（如 1.375V 共模電壓情況下，輸出差動(dòng)電壓 450 mV），那么接地偏移可能會(huì)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(jī)具有較大的輸入范圍，此處的范圍介于-4V +5V 之間。針對(duì) 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(xiàng)非常適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及多點(diǎn)系統(tǒng)的技術(shù)。LVDS 及 M-LVDS 接口均建立在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，而其它基于總線的 LVDS 技術(shù)則 并