深入解析SNx5LVDS3xx高速差分线驱动器

在高速数据传输的领域中，差分线驱动器扮演着至关重要的角色。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的SNx5LVDS3xx系列高速差分线驱动器，包括其特点、应用、设计要点等方面，希望能为各位电子工程师在实际项目中提供一些有价值的参考。

文件下载：sn65lvds387.pdf

一、SNx5LVDS3xx概述

SNx5LVDS3xx系列包含了SN65LVDS387、SN75LVDS387、SN65LVDS389、SN75LVDS389、SN65LVDS391和SN75LVDS391等型号，这些器件是四通道、八通道和十六通道的LVDS线驱动器，能够满足或超越ANSI EIA/TIA - 644标准的要求。它们采用低电压差分信号（LVDS）技术，具有低功耗、高速率、低辐射等优点，适用于多种高速数据传输场景。

二、产品特点

2.1 通道数量多样

该系列提供了四种（'391）、八种（'389）或十六种（'387）线驱动器选择，工程师可以根据实际需求灵活配置通道数量，以满足不同系统的要求。

2.2 高速率与低辐射

设计用于高达630 Mbps的信号速率，同时具有极低的辐射（EMI）。低电压差分信号技术使得信号在传输过程中产生的电磁干扰较小，有助于提高系统的稳定性和可靠性。

2.3 低传播延迟与低偏斜

传播延迟时间小于2.9 ns，输出偏斜小于150 ps，器件间偏斜小于1.5 ns。这些特性保证了信号在传输过程中的时序准确性，减少信号失真和误码率。

2.4 低功耗

每个驱动器在200 MHz工作时的总功耗仅为35 mW，有效降低了系统的功耗，延长了设备的续航时间。

2.5 高ESD保护

SN65'版本的总线引脚ESD保护超过15 kV，能够有效防止静电放电对器件造成损坏，提高了器件的抗干扰能力和可靠性。

2.6 封装与兼容性

采用薄型收缩小外形封装（TSSOP），引脚间距为20 mil，便于PCB布局。同时，低电压TTL（LVTTL）逻辑输入具有5 - V容限，可与多种逻辑电平兼容。

三、应用领域

3.1 无线基础设施

在无线通信基站等设备中，SNx5LVDS3xx可用于高速数据传输，确保信号的稳定和准确传输，提高无线通信的质量和效率。

3.2 电信基础设施

在电信网络设备中，如交换机、路由器等，该系列驱动器可用于数据背板的高速传输，满足电信网络对大容量、高速率数据传输的需求。

3.3 打印机

在打印机的控制系统中，SNx5LVDS3xx可用于数据和时钟信号的传输，保证打印数据的准确和及时传输，提高打印质量和速度。

四、详细规格与性能

4.1 绝对最大额定值

• 电源电压范围： - 0.5 V至4 V
• 输入电压范围：输入引脚为 - 0.5 V至6 V，Y或Z引脚为 - 0.5 V至4 V
• 存储温度范围： - 65 °C至150 °C

  4.2 ESD评级

  SN65'版本的Y、Z和GND引脚的ESD保护可达±15000 V（Class 3, A），SN75'版本为±4000 V（Class 3, A），保证了器件在不同环境下的可靠性。

  4.3 推荐工作条件

• 电源电压（Vcc）：3 V至3.6 V
• 高电平输入电压（VIH）：2 V
• 低电平输入电压（VIL）：0.8 V
• 工作温度范围：SN75'系列为0 °C至70 °C，SN65'系列为 - 40 °C至85 °C

  4.4 电气特性

• 差分输出电压幅度：典型值为340 mV，最小值为247 mV，最大值为454 mV
• 稳态共模输出电压：典型值为1.125 V至1.375 V
• 电源电流：不同型号和工作状态下有所不同，如LVDS387启用时为85 mA至95 mA，禁用时为0.5 mA至1.5 mA

  4.5 开关特性

• 传播延迟时间：低到高电平输出（tPLH）和高到低电平输出（tPHL）典型值分别为1.7 ns和1.6 ns，最大值为2.9 ns
• 差分输出信号上升时间和下降时间：典型值为0.8 ns，最大值为1 ns
• 脉冲偏斜（tsk(p)）：最大值为500 ps
• 输出偏斜（tsk(o)）：最大值为150 ps
• 器件间偏斜（tsk(pp)）：最大值为1.5 ns

五、设计要点与应用案例

5.1 点对点通信

5.1.1 设计要求

• 驱动器电源电压（Vcco）：3.0 V至3.6 V
• 驱动器输入电压：0.8 V至3.3 V
• 驱动器信号速率：DC至200 Mbps
• 互连特性阻抗：100 Ω
• 终端电阻：100 Ω
• 接收器数量：1个
• 接收器电源电压（VccR）：3.0 V至3.6 V
• 接收器输入电压：0 V至2.4 V
• 接收器信号速率：DC至200 Mbps
• 驱动器和接收器之间的接地偏移：±1 V

  5.1.2 详细设计步骤

• 驱动器电源电压：SNx5LVDSxx驱动器采用单电源供电，可在3 V至3.6 V的电源电压下正常工作，差分输出电压在整个电源电压范围内保持稳定。
• 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。在高速环境下，建议使用多层陶瓷芯片或表面贴装电容（尺寸为0603或0805），其引线电感约为1 nH，可有效降低电源噪声。
• 驱动器输出电压：驱动器输出为1.2 V的共模电压，标称差分输出信号为340 mV，峰 - 峰值差分电压为680 mV。
• 互连介质：互连介质可以是满足LVDS标准的任何平衡配对金属导体，如双绞线、双轴电缆、扁平带状电缆或PCB走线。标称特性阻抗应在100 Ω至120 Ω之间，偏差不超过10%。
• PCB传输线：PCB传输线的结构和特性对信号传输有重要影响。常见的传输线结构包括微带线和带状线，设计时应注意保持走线宽度和间距均匀，以及两条走线之间的良好对称性。
• 终端电阻：为确保信号在最高信号速率下正常切换，终端电阻应与传输线的特性阻抗匹配，通常应在标称介质特性阻抗的±10%范围内。终端电阻应尽可能靠近接收器放置，以减少电阻到接收器的短线长度。

  5.2 多点通信

  5.2.1 设计要求

  与点对点通信类似，但接收器数量为2至32个。

  5.2.2 详细设计步骤

• 互连介质：多点系统的互连与点对点系统有很大不同。在多点系统中，总线型架构需要更谨慎的设计。应尽量减少分支的短线长度，以避免局部阻抗变化导致的信号反射。同时，应根据负载情况合理调整总线终端电阻，以匹配加载后的特性阻抗。

六、布局与布线

6.1 微带线与带状线拓扑

在PCB设计中，微带线和带状线是常见的传输线选项。微带线是PCB外层的走线，而带状线是位于两个接地平面之间的走线。虽然带状线对辐射和干扰的抵抗力更强，但微带线更适合高速传输。TI建议在可能的情况下，将LVDS信号路由在微带传输线上。

6.2 介电类型和电路板结构

对于LVDS信号，FR - 4或等效材料通常可以提供足够的性能。如果TTL/CMOS信号的上升或下降时间小于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、镀铜厚度、焊料掩膜等参数。

6.3 推荐的堆叠布局

为减少TTL/CMOS与LVDS之间的串扰，建议使用至少两个单独的信号层。常见的堆叠配置包括四层板和六层板，六层板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。

6.4 走线间距

差分对的走线应紧密耦合，以实现电磁场的抵消，减少噪声耦合。同时，差分对的电气长度应相同，以确保平衡，减少偏斜和信号反射问题。对于相邻的单端走线，应遵循3 - W规则，即两条走线之间的距离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三倍走线宽度。

6.5 串扰和接地反弹最小化

为减少串扰，应提供尽可能靠近信号源的高频电流返回路径，通常通过接地平面实现。同时，应尽量缩短走线长度，避免接地平面的不连续性，以降低电流回路的面积和电感。

七、总结

SNx5LVDS3xx系列高速差分线驱动器以其高速率、低功耗、低辐射、高ESD保护等优点，在无线基础设施、电信基础设施、打印机等多个领域得到了广泛应用。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用场景和要求，合理选择器件型号、优化电路设计和PCB布局，以确保系统的性能和可靠性。希望本文能为各位工程师在使用SNx5LVDS3xx系列驱动器时提供一些帮助和参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。