SN65LVDxx高速差分线路驱动器和接收器的设计与应用

在电子设计领域，高速差分线路驱动器和接收器是实现高效、可靠数据传输的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的SN65LVDS1、SN65LVDS2和SN65LVDT2这三款设备，它们在高速数据传输方面表现出色，广泛应用于无线基础设施、电信基础设施、打印机等领域。

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1. 产品概述

SN65LVDS1、SN65LVDS2和SN65LVDT2是单通道、低压差分信号（LVDS）的线路驱动器和接收器，采用小外形晶体管封装。它们满足或超越了ANSI TIA/EIA - 644标准，驱动器的信号速率最高可达630 Mbps，接收器最高可达400 Mbps，工作电源电压范围为2.4 - 3.6 V。

1.1 关键特性

• 高速传输：支持高信号速率，满足现代高速数据传输需求。
• 低功耗：典型情况下，驱动器在200 MHz时功耗为25 mW，接收器为60 mW。
• 低电磁辐射：低差分输出电压和差分信号特性，降低了电磁辐射。
• 高ESD耐受性：总线终端ESD超过9 kV，增强了设备的可靠性。
• 宽电源电压范围：2.4 - 3.6 V的电源电压范围，适用于多种应用场景。

1.2 应用领域

• 无线基础设施：用于基站和无线设备之间的数据传输。
• 电信基础设施：支持高速数据通信。
• 打印机：实现高速打印数据的传输。

2. 详细规格

2.1 绝对最大额定值

了解设备的绝对最大额定值对于确保设备的安全和可靠性至关重要。例如，电源电压范围为 - 0.5 - 4 V，输入电压范围为 - 0.5 - Vcc + 2 V等。超出这些额定值可能会导致设备永久性损坏。

2.2 ESD评级

设备具有良好的ESD耐受性，人体模型静电放电（HBM）所有引脚可达 + 4000 V，总线引脚（A、B、Y、Z）可达 + 9000 V。这使得设备在静电环境中更加稳定可靠。

2.3 推荐工作条件

推荐的工作条件包括电源电压2.4 - 3.6 V，输入电压范围等。在这些条件下工作，设备能够发挥最佳性能。

2.4 电气和开关特性

• 驱动器电气特性：如差分输出电压幅度、稳态共模输出电压等。不同的电源电压范围会影响这些特性，例如在2.4 - 3 V电源电压下，差分输出电压幅度最小值为200 mV；在3 - 3.6 V电源电压下，最小值为247 mV。
• 接收器电气特性：包括正、负向差分输入电压阈值、高低电平输出电压等。
• 驱动器和接收器的开关特性：如传播延迟时间、上升时间、下降时间等。这些特性决定了设备的响应速度和信号质量。

3. 功能描述

3.1 SN65LVDS1驱动器

• 输入输出特性：输入为LVTTL信号，输出为符合LVDS标准的差分信号。输出信号具有低辐射能量和对共模耦合信号的抗干扰能力。
• 电源相关特性：工作电源电压范围宽，当电源电压低于1.5 V时，输出为高阻抗状态。同时，驱动器能够在2.6 - 3.6 V的电源电压范围内保持输出共模电压在1.2 V（±75 mV）。
• 5 - V输入耐受性：即使输入信号高达5 V，驱动器仍能正常工作，可与3.3 - V和5 - V的TTL逻辑兼容。

3.2 SN65LVDS2和SN65LVDT2接收器

• 开路故障保护：当输入开路时，接收器通过300 - kΩ电阻将信号线路拉至Vcc，并通过与门检测该条件，强制输出为高电平，确保系统的稳定性。
• 输出电压和电源复位：接收器高电平输出电压与电源电压有关，当电源电压高于3 V时，最小输出电压为2.4 V；在2.6 - 3.0 V电源电压范围内，最小输出电压为1.9 V。当电源电压低于1.5 V时，输入和输出引脚为高阻抗状态。
• 共模范围：输入共模范围与电源电压有关，在推荐条件下，输入共模电压可在0 - 0.8 V低于电源轨的范围内工作。

4. 应用与设计

4.1 点对点通信

这是LVDS缓冲区最基本的应用，适用于数字数据的点对点传输。设计时需要考虑以下几个方面：

• 电源电压：驱动器和接收器的电源电压范围为2.4 - 3.6 V，较低的电源电压可能会影响输出电压和噪声裕量，需要仔细评估。
• 旁路电容：使用旁路电容可以降低电源噪声，提高电源稳定性。在高速环境中，应选择小尺寸、低电感的多层陶瓷芯片或表面贴装电容。
• 输入输出电压：驱动器输入可接受宽范围的电压信号，但固定的决策阈值可能会导致一定的占空比失真。驱动器输出为1.2 V共模电压，标称差分输出信号为350 mV。
• 互连介质：互连介质的特性阻抗应在100 - 120 Ω之间，误差不超过10%。常见的互连介质包括双绞线、同轴电缆、扁平带状电缆或PCB走线。
• 终端电阻：终端电阻应与传输线的特性阻抗匹配，通常为100 Ω，且应尽量靠近接收器放置。SN65LVDT2集成了终端负载，使用起来更加方便。

4.2 多点通信

在多点拓扑中，一个驱动器和多个接收器共享总线。与点对点通信相比，多点通信的互连需要更多的考虑：

• 互连设计：总线架构需要更谨慎的布局，避免信号反射和阻抗不匹配。发射器的位置会影响总线的终止方式和信号传输的灵活性。
• 负载影响：每个分支节点的负载会改变总线的特性阻抗，可能导致信号反射。如果负载数量恒定且分布均匀，可以通过调整总线终端电阻来减少反射。

5. 布局建议

5.1 传输线拓扑

PCB设计中，微带线和带状线是两种常见的传输线拓扑。微带线是PCB外层的走线，带状线是两层接地平面之间的走线。TI推荐尽可能使用微带线传输LVDS信号，因为它在高速传输方面具有一定优势。

5.2 介质和板级设计

• 介质选择：对于LVDS信号，FR - 4通常能提供足够的性能。如果信号的上升或下降时间小于500 ps，建议使用介电常数接近3.4的材料，如Rogers™4350或Nelco N4000 - 13。
• 板级参数：包括铜重量、镀层厚度、阻焊层等，这些参数会影响信号的传输性能。例如，铜重量为15 g或1/2 oz起始，镀至30 g或1 oz；所有暴露的电路应进行焊锡镀覆等。

5.3 堆叠布局

为了减少TTL/CMOS与LVDS之间的串扰，建议使用至少两层独立的信号层。常见的堆叠配置包括四层和六层PCB，六层PCB可以更好地隔离信号层和电源层，提高信号完整性，但制造成本较高。

5.4 走线间距和串扰

• 差分对走线：LVDS差分对的走线应紧密耦合，以实现电磁屏蔽和减少串扰。同时，差分对的走线长度应相等，以确保信号平衡。
• 单端走线和差分对间距：使用3 - W规则，即相邻走线之间的距离应大于两倍走线宽度或三倍走线中心距离，以减少串扰。

5.5 去耦和接地

• 去耦电容：每个高速设备的电源和接地引脚应通过低电感路径连接到PCB。去耦电容应靠近VDD引脚放置，使用小尺寸的电容（如0402或0201）和不同电容值的阵列可以扩展工作频率范围。
• 接地设计：确保设备接地引脚与PCB接地平面的短而低阻抗连接，避免接地平面的不连续性，以减少接地反弹和串扰。

6. 总结

SN65LVDS1、SN65LVDS2和SN65LVDT2是性能出色的LVDS驱动器和接收器，具有高速、低功耗、低电磁辐射等优点。在设计应用时，需要综合考虑电源、互连、布局等多个方面，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师在使用这些设备进行设计时提供有价值的参考。大家在实际设计过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。