应用笔记 873

通过低电压差分信号(LVDS)传输高速信号


摘要 : ANSI EIA/TIA-644标准定义的低电压差分信号(LVDS)非常适合包括时钟分配、点对点以及多点之间的信号传输。本文描述了使用LVDS将高速通讯信号分配到多个目的端的方法。

低电压差分信号(LVDS)非常适合时钟分配、一点到多点之间的信号传输。本文描述了使用LVDS将高速信号分配到多个目的端的方法。

在一个数字系统中,当各个子系统需要相同的参考时钟源协同工作时,时钟分配非常重要。例如,一个基站的数字信号处理单元(DSP),在大部分应用中,必须由射频处理单元同步。由锁相环(PLL)产生所需的本振频率,通过模/数转换器锁定到时钟中心频率上。同时,当应用系统中包含射频接收回路时,时钟(包括信号部分)必须尽可能降低传输过程中的电平辐射,使用较低的电平以避免干扰。

将高速信号传输到不同目的端时,可以采用多种策略;在这些方案中有两种极AC端形式:一、用1个源/驱动器驱动所有目标端(称为多节点传输);二、每个目标端使用独立的源/驱动器(称为多路点到点传输)。图1展示了利用两种不同技术的传输方案的区别。在多节点传输方式中,需要一个具有足够驱动能力的驱动器来驱动所有负载和传输介质(电缆、连接器、背板等)。差分总线通常在最后一个接收器处根据特性阻抗进行终端匹配。必须努力使总线上的各支路尽可能短,以避免影响信号的完整性。在电路板布线密度日益提高的今天,有些情况下很难控制分支长度。

图1. 多节点信号传输允许在单个发送器与多个接收器之间通讯,而多路点到点传输方式无需调整分支回路,消除了分支回路的潜在干扰问题。
图1. 多节点信号传输允许在单个发送器与多个接收器之间通讯,而多路点到点传输方式无需调整分支回路,消除了分支回路的潜在干扰问题。

相应地,多路点到点传输方式使用了多个驱动器,只需明确点到点操作模式,每个驱动器只与单个接收器通信。采用这种设计架构可以避免信号完整性问题,确保传输介质的阻抗尽可能一致。

下面将要介绍的一款低抖动10端口LVDS转接器MAX9150可以用于多路点到点信号传输。

MAX9150 LVDS转接器

MAX9150适用于对电源功耗、电路板空间以及噪声要求苛刻的高速数据或时钟传输应用。图2中的IC能够接收1路LVDS信号,并将其驱动至10路LVDS输出。

图2. MAX9150 LVDS转接器可以将接收到的输入信号驱动至10路输出,MAX9110则将其输入端的CMOS信号转换成差分信号,MAX9111将各自的LVDS差分信号转换成CMOS电平信号。
图2. MAX9150 LVDS转接器可以将接收到的输入信号驱动至10路输出,MAX9110则将其输入端的CMOS信号转换成差分信号,MAX9111将各自的LVDS差分信号转换成CMOS电平信号。

MAX9150的输入端可以接受幅值最小100mV、最大1V的差分信号,要求输入信号电平在0至2.4V范围内。输出端采用电流激励产生5至9mA电流输出。由于MAX9150输出电流信号,输出信号的差分电平范围由外部终端电阻的阻值决定,每个差分输出端设计为驱动50Ω负载,允许在两端采用100Ω匹配的传输线上以点到点方式传输信号。器件具有120ps抖动(随机性和确定性),应用于对时序误差敏感的高速互联系统可保证通信的可靠性,尤其是编码信号中嵌入的时钟信息。高速开关确保400Mbps的数据传输速率和小于100ps的通道间偏差。MAX9150工作电源为3.3V,当传输信号为400Mbps时最大电流消耗为160mA。通过低功耗关断模式,可以将电源电流降低到60µA。当没有输入驱动或出现开路、终端电阻失效或短路时,器件内的失效保护电路可以将输出端置为高电平。

表1强调了MAX9150的关键参数。

表1. MAX9150的抖动指标
Parameter
Value
Differential Propagation Delay
2.2ns
Total Peak-to-Peak Jitter
20ps
Differential Output-to-Output Skew (same device)
40ps
Rise/Fall Time
220ps
Maximum Input Frequency
400Mbps minimum

Maxim的其它LVDS器件

表2列出了Maxim公司的一些LVDS器件,这些器件可以与MAX9150配合使用,也可以单独使用。图2给出了其中两种器件与MAX9150配合使用的例子。在这个应用中,MAX9110将CMOS电平转换为LVDS信号提供给MAX9150,在传输线终端,采用SOT23封装的MAX9111接收器将LVDS信号重新转换到CMOS电平。

表2. Maxim提供数量众多的LVDS IC,包括接收器、驱动器、转接器、交叉开关、总线串行器等
Part
Description
MAX9111/3 Single/Dual LVDS Line Receivers with Ultra-Low Pulse Skew in SOT23
MAX9110/2 Single/Dual LVDS Line Drivers with Ultra-Low Pulse Skew in SOT23
MAX9150 Low-Jitter, 10-Port LVDS Repeater
MAX9115 Single LVDS Line Receiver in SC70
MAX9121/2 Quad LVDS Receivers with Flow-Through Pinout and Integrated Termination
MAX9124 Quad LVDS Line Driver
MAX9125/6 Quad LVDS Line Receivers with Integrated Termination
MAX9152 800Mbps LVDS/LVPECL to LVDS Crosspoint Switch
MAX9205/7 Bus LVDS Serializers

结论

当信号传输速率达到数十到数百MHz时,相对于TTL信号传输方式,LVDS器件通常是一个更好的选择。其差分特性从根本上增强了抗共模干扰能力,而且降低了噪声。与其它传输方式(如ECL、CML等)相比,低功耗也是该传输方式的一个特色,当然,电路的总体功耗通常取决于所选择的端接技术。基于LVDS技术的集成电路适用于很多应用,包括时钟分配、高达400MHz以上的串行数据信号传输等。上述Maxim的LVDS器件在传输这些信号时,仅产生很低的相位抖动和少量的功耗,具有极低的干扰。这里展示了两种信号传输方式:多节点传输和多路点到点传输方式。每种传输方式都有自身的优点和缺点。

MAX9150芯片构成了高速数据或时钟分配系统的核心,其它LVDS器件(如单路/多路驱动器等)用于完成电路的特定功能。Maxim也同样提供LVDS交叉开关、总线串行器等。

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