SNx5LVDx3xx高速差分线路接收器详解

在高速数据传输领域，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点，得到了广泛应用。德州仪器（TI）的SNx5LVDx3xx系列高速差分线路接收器，就是LVDS技术的典型代表。本文将对该系列接收器进行详细介绍，包括其特点、应用、电气特性等方面，希望能为电子工程师们在设计相关电路时提供一些参考。

文件下载：sn75lvdt390.pdf

一、产品概述

SNx5LVDx3xx系列包括SN65LVDS386、SN65LVDS388A、SN65LVDS390等型号，以及带有集成终端电阻的SNx5LVDT3xx型号。这些接收器可提供4路（'390）、8路（'388A）或16路（'386）线路接收功能，满足不同应用场景的需求。

1.1 主要特点

• 符合标准：满足或超越ANSI TIA/EIA - 644标准要求，确保了与其他LVDS设备的兼容性。
• 集成终端电阻：LVDT产品集成了110Ω线路终端电阻，可消除外部电阻，简化设计并提高信号完整性。
• 高速信号传输：设计用于高达250 Mbps的信号速率，能够实现高速数据传输。
• ESD保护：SN65版本的总线终端ESD超过15 kV，增强了设备的抗静电能力。
• 单电源供电：可由单一3.3 V电源供电，降低了电源设计的复杂度。
• 低传播延迟：典型传播延迟时间为2.6 ns，输出偏斜仅100 ps（典型值），器件间偏斜小于1 ns，保证了信号的精确传输。
• 5 - V容限：LVTTL电平具有5 - V容限，提高了与其他电路的兼容性。
• 开路故障保护：具备开路故障保护功能，确保在输入开路时输出稳定。

1.2 应用领域

该系列接收器适用于多种领域，包括无线基础设施、电信基础设施和打印机等，可用于点到点基带数据传输，如印刷电路板走线、背板或电缆等受控阻抗介质上的数据传输。

二、产品详细介绍

2.1 功能框图

SNx5LVDx3xx接收器的功能框图展示了其内部结构。输入信号为差分LVDS信号，经过接收器处理后输出LVTTL数字信号。不同型号的接收器在通道数量和功能上有所差异，但基本原理相同。

2.2 特性描述

2.2.1 接收器输出状态

当接收器差分输入信号大于100 mV时，输出为高电平；当差分输入电压低于 - 100 mV时，输出为低电平；当输入电压在 - 100 mV至100 mV之间时，输出状态不确定。当接收器禁用时，输出为高阻抗状态。

2.2.2 接收器开路故障保护

在差分信号应用中，当信号对无差分电压时，系统的响应是一个常见问题。SNx5LVDx3xx接收器在输入开路时，通过300 kΩ电阻将信号对的每条线拉至接近VCC，利用与门检测该条件并强制输出为高电平，确保了输出的稳定性。

2.2.3 共模范围

接收器的输入共模范围为½ × VID V至2.4 - ½ × VID V。只要输入信号在该范围内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。

2.2.4 通用比较器功能

SNx5LVDx3xx接收器不仅符合LVDS标准，还可应用于更广泛的信号。只要输入信号在所需的差分和共模电压范围内，输出就能忠实反映输入信号。

2.2.5 接收器等效原理图

接收器的输入为高阻抗差分对，SNx5LVDT3xx型号还在输入端口跨接了110Ω内部终端电阻。每个输入还包含7 - V齐纳二极管用于ESD保护，输出结构为带有附加齐纳二极管的CMOS反相器，进一步增强了ESD保护能力。

2.3 设备功能模式

根据功能表，接收器的输出状态取决于差分输入和使能信号。当差分输入满足一定条件且使能信号为高电平时，输出相应的高或低电平；当使能信号为低电平时，输出为高阻抗状态；当输入开路且使能信号为高电平时，输出为高电平。

三、应用与实现

3.1 应用信息

SNx5LVDx3xx接收器通常作为高速、点到点数据传输的构建模块，适用于地面差异小于1 V的场景。LVDS驱动器和接收器提供了高速信号速率，且无需ECL类设备的高功耗和双电源要求。

3.2 典型应用

3.2.1 点到点通信

点到点通信是LVDS缓冲器最基本的应用，由单个发射器（驱动器）和单个接收器组成。驱动器将单端输入信号转换为差分信号，通过100Ω特性阻抗的平衡互连介质传输，接收器再将差分信号转换为单端恢复信号。

在设计点到点通信系统时，需要考虑以下参数：

• 电源电压：驱动器和接收器的电源电压范围为3.0至3.6 V。
• 信号速率：驱动器和接收器的信号速率可达DC至200 Mbps。
• 互连特性阻抗：互连介质的特性阻抗应为100Ω，终端电阻应与之匹配，范围在90Ω至110Ω之间。
• 接地偏移：驱动器和接收器之间的接地偏移应在±1 V以内。

详细设计步骤包括：

• 驱动器电源电压：LVDS驱动器可在3.0至3.6 V的单电源下工作，3.3 V电源时差分输出电压标称值为340 mV。
• 驱动器旁路电容：旁路电容用于创建电源和地之间的低阻抗路径，应使用多层陶瓷芯片或表面贴装电容（如0603或0805尺寸），以减小引线电感。
• 驱动器输出电压：驱动器的差分输出电压标称值为340 mV，峰 - 峰差分电压为680 mV。
• 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，其特性阻抗应在100Ω至120Ω之间，变化不超过10%。
• PCB传输线：PCB传输线有微带线和带状线两种拓扑结构。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建议在可能的情况下，将LVDS信号路由在微带传输线上。
• 终端电阻：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，以减小电阻到接收器的短线长度。

3.2.2 多点通信

多点通信拓扑中，一个驱动器和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，除了考虑点到点通信的参数外，还需要注意互连介质的特性。

多点系统的互连与点到点系统有很大不同。在基本的多点系统中，驱动器位于总线一端，多个接收器节点从主线分支出来，总线末端需要一个终端电阻。然而，这种布局存在一些局限性，如驱动器位置的灵活性较差，节点分支会产生短线，影响总线的负载阻抗。

为了减少反射，应尽量减小短线长度，并根据总线的负载情况调整终端电阻的阻值。

四、电源供应与布局建议

4.1 电源供应建议

SNx5LVDx3xx系列的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至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，应使用板级和本地设备级旁路电容，以确保电源的稳定性。

4.2 布局指南

4.2.1 微带线与带状线拓扑

PCB通常提供微带线和带状线两种传输线选项。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。虽然带状线具有较低的辐射和抗干扰能力，但从高速传输的角度考虑，TI建议在可能的情况下将LVDS信号路由在微带传输线上。

4.2.2 电介质类型与电路板结构

对于LVDS信号，FR - 4或等效材料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。

在电路板结构方面，应注意铜的重量、镀层厚度、焊料掩膜等参数，以确保信号的传输质量。

4.2.3 推荐堆叠布局

为了减少TTL/CMOS与LVDS信号之间的串扰，建议使用至少两层独立的信号平面。常见的堆叠配置包括四层和六层电路板，通过合理安排信号层、接地平面和电源平面，可以提高信号的完整性。

4.2.4 走线间距

为了减少串扰，单端走线和差分对之间应保持至少两到三倍单个走线宽度的间距。对于长距离平行走线，应增加信号路径之间的间距。同时，应避免使用自动布线器，因为它们可能无法考虑到所有影响串扰和信号反射的因素。

4.2.5 串扰与接地反弹最小化

为了减少串扰，应提供尽可能靠近原始走线的高频电流返回路径，通常使用接地平面来实现。同时，应尽量缩短走线长度，并保持接地平面的连续性，以减少电磁辐射和接地反弹。

五、设备与文档支持

5.1 设备支持

TI不保证第三方产品或服务的适用性，如需了解其他LVDS产品和应用笔记，可访问TI网站。

5.2 文档支持

该设备提供IBIS建模，如需更多信息可联系当地TI销售办公室或访问TI网站。此外，还提供了一系列相关文档，如低电压差分信号设计笔记、TIA/EIA - 644接口电路等，为工程师提供了丰富的设计参考。

5.3 相关链接

文档中提供了各型号产品的相关链接，包括产品文件夹、样品购买、技术文档、工具与软件以及支持与社区等方面的链接，方便工程师获取所需信息。

5.4 静电放电注意事项

这些设备的内置ESD保护有限，在存储或处理时，应将引脚短路或放置在导电泡沫中，以防止MOS栅极受到静电损坏。

六、机械、包装与订购信息

文档提供了各型号产品的机械、包装和订购信息，包括封装类型、引脚数量、包装数量、载体类型、RoHS合规性、引脚镀层材料、MSL评级和峰值回流温度等，方便工程师进行产品选型和订购。

七、总结

SNx5LVDx3xx系列高速差分线路接收器具有高速、低功耗、抗干扰能力强等优点，适用于多种高速数据传输应用。在设计过程中，工程师需要根据具体应用场景，合理选择产品型号，并注意电源供应、布局设计等方面的问题，以确保系统的性能和稳定性。希望本文能为电子工程师们在使用该系列接收器时提供有益的参考。你在实际应用中是否遇到过类似产品的设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。