SNx5LVDx3xx高速差分线路接收器：性能、应用与设计要点

在高速数据传输的领域中，低电压差分信号（LVDS）技术凭借其低功耗、高速度和抗干扰能力强等优势，得到了广泛的应用。德州仪器（TI）的SNx5LVDx3xx系列高速差分线路接收器，就是LVDS技术应用的典型代表。今天，我们就来详细探讨一下这款接收器的特点、应用场景以及设计过程中的关键要点。

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一、产品概述

SNx5LVDx3xx系列包括SN65LVDS386、SN65LVDS388A、SN65LVDS390等多个型号，分别提供4通道（'390）、8通道（'388A）或16通道（'386）的线路接收功能，能够满足不同应用场景下对通道数量的需求。这些接收器符合ANSI TIA/EIA - 644标准，支持高达250 Mbps的信号传输速率，为高速数据传输提供了可靠的保障。

1.1 产品特性

• 集成终端电阻：LVDT系列产品集成了110 - Ω的线路终端电阻，减少了外部元件的使用，简化了设计，同时提高了信号的完整性。
• 高ESD保护：SN65版本的总线终端ESD超过15 kV，能够有效抵御静电放电的影响，增强了产品的可靠性。
• 低功耗：采用单3.3 - V电源供电，降低了功耗，适合在对功耗有严格要求的应用中使用。
• 低传播延迟和输出偏斜：典型传播延迟时间为2.6 ns，输出偏斜仅100 ps（典型值），通道间偏斜小于1 ns，确保了信号的准确传输和同步。
• 宽输入共模范围：接收器在较宽的输入共模电压范围内都能正常工作，允许驱动器和接收器之间存在1 V的接地电位差，提高了系统的灵活性。
• LVTTL电平5 - V容限：输出为LVTTL电平，并且具有5 - V容限，方便与其他设备进行接口。
• 开路故障安全功能：当输入开路时，接收器能够自动将输出置为高电平，避免了信号异常导致的系统故障。

1.2 应用场景

该系列接收器广泛应用于无线基础设施、电信基础设施、打印机等领域，为这些高速数据传输的应用提供了稳定可靠的信号接收解决方案。

二、产品详细分析

2.1 功能框图与工作原理

SNx5LVDx3xx接收器的输入为差分LVDS信号，输出为LVTTL数字信号。其内部结构包括多个差分输入对和相应的比较器，通过比较输入信号的差值来确定输出信号的状态。以'LVDx388A为例，部分功能框图展示了其输入输出的连接方式和使能控制逻辑。

2.2 特性详细解析

2.2.1 开路故障安全功能

当接收器的输入开路时，可能是由于驱动器处于高阻态或电缆断开等原因，LVDS接收器会通过300 - kΩ的电阻将信号对的每条线路拉至接近(V_{CC})的电平。同时，使用一个输入电压阈值约为2.3 V的与门来检测这种情况，并强制输出为高电平，确保了在异常情况下输出信号的有效性。

2.2.2 共模范围

接收器的输入共模范围为(1/2 ×V{ID} V)到(2.4 - 1/2 ×V{ID} V)。只要输入信号在这个范围内，并且差分幅度大于或等于100 mV，接收器就能正确输出LVDS总线状态。这一特性使得接收器能够适应不同的信号环境，提高了系统的稳定性。

2.2.3 通用比较器功能

虽然SNx5LVDx3xx接收器是符合LVDS标准的接收器，但它的应用并不局限于LVDS信号。只要输入信号满足所需的差分和共模电压范围，接收器的输出就能准确反映输入信号的状态，具有更广泛的适用性。

2.2.4 接收器等效原理图

SNx5LVDS3xx接收器的输入是高阻抗差分对，而SNx5LVDT3xx接收器在输入端口跨接了110 - Ω的内部终端电阻。同时，每个输入都包含7 - V的齐纳二极管，用于提供ESD保护。输出结构为CMOS反相器，并额外添加了齐纳二极管进行ESD保护，增强了产品的可靠性。

2.3 器件功能模式

根据差分输入和使能信号的不同组合，接收器有不同的输出状态。当差分输入电压(V{ID} ≥ 100 mV)且使能信号为高电平时，输出为高电平；当(- 100 mV < V{ID} ≤ 100 mV)且使能信号为高电平时，输出状态不确定；当(V_{ID} ≤ - 100 mV)且使能信号为高电平时，输出为低电平；当使能信号为低电平时，输出为高阻态；当输入开路且使能信号为高电平时，输出为高电平。

三、应用与设计要点

3.1 应用信息

SNx5LVDx3xx接收器通常作为高速、点对点数据传输的构建模块，适用于接地差异小于1 V的应用场景。与传统的ECL类设备相比，LVDS驱动器和接收器在提供高速信号传输速率的同时，无需ECL的高功耗和双电源要求，具有明显的优势。

3.1.1 模拟和数字接地与电源

虽然SN65LVDS/T388A和SN75LVDS/T388A设备不强制要求分离模拟和数字电源与接地，但引脚布局为用户提供了这种选择。通过分别布局电源和接地平面，可以减少两个电源之间的开关噪声耦合，提高系统的稳定性。

3.2 典型应用

3.2.1 点对点通信

点对点通信是LVDS缓冲器最基本的应用场景，由一个发送器（驱动器）和一个接收器组成，通常被称为单工通信。驱动器将单端输入信号转换为差分信号，通过100 - Ω特性阻抗的平衡互连介质进行传输，接收器再将差分信号转换为单端恢复信号。在设计点对点通信系统时，需要注意以下要点：

• 驱动器电源电压：LVDS驱动器如SN65LVDS387可在3 V到3.6 V的单电源下工作，差分输出电压在整个输出范围内标称值为340 mV，在3.3 - V电源下，最小输出电压能满足LVDS规定的范围（247 mV到454 mV）。
• 驱动器旁路电容：旁路电容在电源分配电路中起着关键作用，它能在高频时提供低阻抗路径，减少电源噪声。对于LVDS芯片，应根据公式(C{chip }=left(frac{Delta I{Maximum Step Change Supply Current }}{Delta V{Maximum Power Supply Noise }}right) × T{Rise Time })选择合适的旁路电容值，并将最小电容值尽可能靠近芯片放置。
• 互连介质：互连介质可以是双绞线、同轴电缆、扁平带状电缆或PCB走线，其标称特性阻抗应在100 Ω到120 Ω之间，变化不超过10%（90 Ω到132 Ω）。
• PCB传输线：PCB传输线常见的结构有微带线和带状线。微带线是外层的信号走线，带状线是内层的信号走线，被上下接地平面包围。在设计时，应根据实际情况选择合适的传输线结构，并确保其特性阻抗符合要求。
• 终端电阻：为了保证信号的正确传输，终端电阻应与传输线的特性阻抗匹配，且应尽可能靠近接收器放置。对于100 - Ω阻抗的传输线，终端电阻应在90 Ω到110 Ω之间。

3.2.2 多点通信

多点通信拓扑中，一个驱动器和一个共享总线连接多个接收器（最多32个）。在设计多点通信系统时，需要考虑以下问题：

• 发射器位置：发射器位于总线一端时，设计相对简单，但灵活性较差；若需要将发射器重新定位在总线的其他位置，可能会导致总线一端开路，影响信号传输。
• 总线终端：在总线的远端需要一个终端电阻来吸收入射波，避免信号反射。
• 分支短截线：每个从主线分支出来的节点都会产生短截线，应尽量减小短截线的长度，以减少对总线负载阻抗的影响。

3.3 电源供应建议

LVDS驱动器和接收器设计为单电源供电，电源电压范围为2.4 V到3.6 V。在实际应用中，驱动器和接收器可能位于不同的电路板或设备上，此时应使用板级和局部设备级的旁路电容，以减少电源噪声的影响。

3.4 布局要点

3.4.1 微带线与带状线拓扑

印刷电路板通常提供微带线和带状线两种传输线选择。微带线是外层的走线，带状线是内层的走线，被接地平面包围。TI建议在可能的情况下，将LVDS信号路由在微带线传输线上，因为微带线可以根据整体噪声预算和反射允许值来指定必要的阻抗公差。

3.4.2 电介质类型和电路板结构

对于LVDS信号，FR - 4或等效的电介质通常能提供足够的性能。如果TTL/CMOS信号的上升和下降时间小于500 ps，则建议使用介电常数接近3.4的材料，如Rogers™4350或Nelco N4000 - 13。在电路板结构设计方面，应注意铜重量、镀层厚度、阻焊层等参数，以确保信号的稳定传输。

3.4.3 推荐的堆叠布局

为了减少TTL/CMOS信号与LVDS信号之间的串扰，建议使用至少两个独立的信号层。常见的堆叠配置有四层板和六层板，六层板可以通过至少一个接地平面将每个信号层与电源平面隔离，提高信号完整性，但制造成本相对较高。

3.4.4 走线间距

差分对之间的走线应紧密耦合，以利用电磁场抵消的原理减少噪声耦合。同时，差分对的走线长度应相同，以确保信号平衡，减少偏斜和信号反射。对于相邻的单端走线和差分对，应遵循3 - W规则，即走线间距应大于单条走线宽度的两倍，或从走线中心到中心的距离为走线宽度的三倍，以减少串扰。

3.4.5 串扰和接地反弹最小化

为了减少串扰，应提供尽可能靠近信号源的高频电流返回路径，通常通过接地平面来实现。保持走线短且下方有连续的接地平面，可以减少电磁辐射。同时，应避免接地平面的不连续性，以降低返回路径的电感。

四、总结

SNx5LVDx3xx系列高速差分线路接收器以其丰富的功能特性、广泛的应用场景和良好的性能表现，为高速数据传输领域提供了优秀的解决方案。在设计应用时，我们需要充分考虑产品的特性和应用要求，合理选择器件和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地理解和应用这款产品，在实际项目中取得更好的效果。你在使用LVDS接收器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。