MAX9247：27位、2.5MHz - 42MHz直流平衡LVDS串行器的全方位解析

在当今数字化的时代，数字视频传输技术不断发展，对于高效、稳定的视频数据传输需求日益增长。MAX9247作为一款关键的数字视频并行 - 串行转换器，在众多应用领域中发挥着重要作用。本文将对MAX9247进行深入剖析，为电子工程师们提供详细的技术参考。

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一、产品概述

MAX9247是一款能够将27位并行数据转换为串行数据流的数字视频并行 - 串行转换器。它可以对18位视频数据和9位控制数据进行编码和复用，降低了串行数据速率。数据使能输入（DE_IN）决定了何时对视频或控制数据进行串行化处理。

该器件可与MAX9248/MAX9250解串器配对，形成完整的数字视频串行链路，互连方式可以是可控阻抗的PCB走线或双绞线电缆。其采用的专有数据编码技术不仅降低了电磁干扰（EMI），还实现了直流平衡，这使得接口的发送端和接收端能够通过交流耦合实现隔离。LVDS输出内部端接100Ω电阻。对于工作频率低于35MHz的情况，MAX9247也可以与MAX9218解串器配对使用。

此外，MAX9247的ESD耐受性符合ISO 10605标准，接触放电可达±10kV，空气间隙放电可达±30kV。它采用+3.3V核心电源供电，并具有单独的输入电源，可与1.8V至3.3V的逻辑电平接口。该器件提供48引脚LQFP封装，工作温度范围有-40°C至+85°C和-40°C至+105°C两种可选。

二、应用领域

• 导航系统显示器：在汽车导航系统中，需要快速、稳定地传输视频数据，MAX9247能够满足其对数据传输的要求，确保导航画面的清晰显示。
• 车载娱乐系统：为乘客提供高质量的视频娱乐体验，保证视频数据的准确传输，减少卡顿和干扰。
• 摄像机：在监控、安防等领域的摄像机中，实现视频数据的高效传输，确保图像的实时性和清晰度。
• 液晶显示器（LCD）：为LCD提供稳定的视频信号，保证显示效果。

三、产品特性

3.1 预加重技术

预加重功能可以改善输出眼图和信号完整性。在数据转换过程中，通过增加额外的电流，使输出信号在转换点的幅度增加40% - 50%，从而实现更快的转换速度和更好的信号质量。

3.2 专有数据编码

采用专有数据编码技术，实现直流平衡并降低EMI。在视频消隐期间发送控制数据，且5个控制数据输入具有单比特错误容错能力，提高了数据传输的可靠性。

3.3 可编程相移LVDS信号

可编程相移LVDS信号技术进一步降低了EMI，减少了信号干扰。

3.4 输出共模滤波器

集成的输出共模滤波器可以减少EMI，提高系统的抗干扰能力。

3.5 长距离传输能力

能够驱动超过10m的屏蔽双绞线（STP）电缆，适用于长距离的数据传输应用。

3.6 宽参考时钟容差

具有±2%的宽参考时钟容差，对时钟信号的要求相对宽松，提高了系统的稳定性。

3.7 ESD保护

符合ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2 Level 4 ESD保护标准，有效保护器件免受静电干扰。

3.8 灵活的电源接口

单独的输入电源允许与1.8V至3.3V的逻辑电平接口，增强了器件的通用性。

3.9 小尺寸封装

采用节省空间的LQFP封装，适合在空间有限的应用场景中使用。

3.10 宽工作温度范围

支持-40°C至+85°C和-40°C至+105°C的工作温度范围，能够适应不同的环境条件。

四、订购信息

PART	TEMP RANGE	PIN - PACKAGE
MAX9247ECM+	-40 ° C to +85 ° C	48 LQFP
MAX9247ECM/V+	-40 ° C to +85 ° C	48 LQFP
MAX9247GCM+	-40 ° C to +105 ° C	48 LQFP
MAX9247GCM/V+	-40 ° C to +105 ° C	48 LQFP

其中，“+”表示无铅/符合RoHS标准的封装，“/V”表示汽车级合格产品。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。MAX9247的绝对最大额定值包括电源电压、引脚电压、功耗等参数。例如，VCC_ 到GND的电压范围为 - 0.5V至 + 4.0V，各引脚的电压也有相应的限制。同时，器件的连续功耗在TA = + 70°C时为1666.7mW，超过该温度需要进行降额处理。

5.2 直流电气特性

详细介绍了单端输入和LVDS输出的各项参数，如高电平输入电压、低电平输入电压、输入电流、输入钳位电压、差分输出电压、共模电压等。这些参数的确定有助于工程师在设计电路时确保器件的正常工作。例如，在不同的VCCIN电压下，高电平输入电压和低电平输入电压的范围有所不同，工程师需要根据实际情况进行合理设置。

5.3 交流电气特性

包括时钟周期、时钟频率、时钟占空比、输出上升时间、输出下降时间、输入建立时间、输入保持时间、串行器延迟、PLL锁定时间、掉电延迟、峰 - 峰输出抖动、峰 - 峰输出偏移电压等参数。这些参数对于保证数据的准确传输和系统的稳定性非常关键。例如，时钟频率的范围决定了器件的工作速度，而PLL锁定时间则影响了系统的启动时间。

六、引脚描述

MAX9247的引脚具有不同的功能，包括电源引脚、输入引脚和输出引脚等。以下是一些主要引脚的功能介绍：

• GND：输入缓冲器电源和数字电源地。
• VCCIN：输入缓冲器电源电压，需要通过0.1µF和0.001µF的电容并联旁路到GND。
• RGB_IN[17:0]：LVTTL/LVCMOS红、绿、蓝数字视频数据输入，在DE_IN为高电平时，18位数据在PCLK_IN的上升沿被加载到输入锁存器。
• CNTL_IN[8:0]：LVTTL/LVCMOS控制数据输入，在DE_IN为低电平时，控制数据在PCLK_IN的上升沿被锁存。
• DE_IN：LVTTL/LVCMOS数据使能输入，高电平选择RGB_IN[17:0]进行锁存，低电平选择CNTL_IN[8:0]进行锁存。
• PCLK_IN：LVTTL/LVCMOS并行时钟输入，用于锁存数据和控制输入，并提供PLL参考时钟。
• PRE：预加重使能输入，驱动PRE为高电平可启用预加重功能。
• OUT+和OUT -：LVDS串行数据输出，分别为非反相和反相输出。

七、详细工作原理

7.1 数据编码

MAX9247在工作时，当数据使能输入DE_IN为高电平时，对18位并行视频数据RGB_IN[17:0]进行串行化；当DE_IN为低电平时，对9位并行控制数据CNTL_IN[8:0]进行串行化。RGB视频输入数据使用2个开销位EN0和EN1进行编码，形成20位的串行字；控制输入映射到19位并使用1个开销位EN0进行编码，同样得到20位的串行字。这种编码方式不仅降低了EMI，还保证了串行电缆上的直流平衡。

7.2 控制数据映射

控制数据输入C0至C4在串行控制字中各映射为3位，在解串器端，通过相同状态的2或3位来确定恢复位的状态，从而实现对C0至C4的单比特错误容错。控制数据输入C5至C8各映射为1位。

7.3 过渡时序

过渡字需要一定的互连带宽，并会取代控制数据。因此，在DE_IN变为高电平前的两个时钟周期、视频阶段以及DE_IN变为低电平后的两个时钟周期内，控制数据不被采样。在过渡和视频阶段，最后采样的控制数据被锁存在解串器的控制数据输出端；在过渡和控制阶段，视频数据被锁存在解串器的RGB数据输出端。

八、应用信息

8.1 AC - 耦合优势

AC - 耦合可以将共模电压提高到电容器的额定电压。使用两个电容器即可实现隔离，但在串行器输出端和解串器输入端各使用两个电容器，当电缆的任一端短路到高电压时，能够提供更好的保护。AC - 耦合还可以阻挡低频接地偏移和共模噪声。MAX9247串行器也可以与MAX9248/MAX9250解串器进行直流耦合。

8.2 AC - 耦合电容器选择

根据并行时钟频率来计算AC - 耦合电容器的值。对于时钟频率低于18MHz的应用，建议使用0.1µF的电容器。

8.3 频率范围设置

通过RNG[1:0]输入选择MAX9247串行器的工作频率范围，外部时钟必须在该范围内才能正常工作。不同的RNG[1:0]组合对应不同的并行时钟频率范围和串行数据速率。

8.4 端接

MAX9247集成了100Ω输出端接电阻，该电阻可以抑制传输线阻抗与解串器输入端接电阻之间的不匹配所产生的反射噪声。当PWRDWN为低电平或电源关闭时，输出端接电阻被切换掉，LVDS输出呈高阻抗状态。

8.5 共模滤波器

集成的100Ω输出端接电阻由两个50Ω电阻串联组成，电阻的连接点连接到CMF引脚，可用于连接可选的共模滤波电容器。将滤波电容器连接到靠近MAX9247的地，可以将共模开关电流分流到地，从而降低EMI。

8.6 LVDS输出预加重

MAX9247具有预加重模式，在数据转换期间，额外的电流会被添加到输出端，使输出信号在转换点的幅度增加40% - 50%。预加重有助于实现更快的转换速度、更好的眼图和改善信号完整性。通过将PRE驱动为高电平可以启用预加重功能。

8.7 掉电和关机

将PWRDWN驱动为低电平会停止PLL，切换掉集成的100Ω输出端接电阻，并使输出对地和差分呈高阻抗状态。当PWRDWN ≤ 0.3V且所有LVTTL/LVCMOS输入 ≤ 0.3V或 ≥ VCCIN - 0.3V时，电源电流可降低到50µA或更低。将PWRDWN驱动为高电平会使PLL锁定到PCLK_IN，并切换接入100Ω输出端接电阻。在PLL锁定之前，LVDS输出不会被驱动。

8.8 PLL锁定时间

PLL锁定时间由内部计数器设置，为17,100个PCLK_IN周期。为了满足锁定时间规范，电源和时钟必须保持稳定。

8.9 输入缓冲器电源

单端输入（RGB_IN[17:0]、CNTL_IN[8:0]、DE_IN、RNG0、RNG1、PRE、PCLK_IN和PWRDWN）由VCCIN供电。VCCIN可以连接到1.71V至3.6V的电源，允许具有VCCIN标称摆幅的逻辑输入。如果在给VCC供电时未给VCCIN供电，输入将被禁用，PWRDWN将被内部驱动为低电平，使器件进入掉电状态。

8.10 电源供应顺序

MAX9247和MAX9248/MAX9250视频链路可以通过多种方式上电。最佳方法是在电源上升期间以及MAX9247的PCLK_IN和MAX9248/MAX9250的REFCLK稳定时，将MAX9247和MAX9248都保持掉电状态。在MAX9247和MAX9248/MAX9250的所有电源（包括PCLK_IN和REFCLK）稳定后，先给MAX9247上电，等待至少MAX9247的tLOCK（或17100 x tT）时间以确保链路上有活动，然后再给MAX9248上电。

8.11 电源电路和旁路

MAX9247具有隔离的片上电源域。数字核心电源（VCC）和单端输入电源（VCCIN）相互隔离，但具有公共接地（GND）。PLL有单独的电源和接地（VCCPLL和PLLGND），LVDS输入也有单独的电源和接地（VCCLVDS和LVDSGND）。接地通过二极管连接进行隔离。每个VCC、VCCIN、VCCPLL和VCCLVDS引脚都应通过高频、表面贴装陶瓷0.1µF和0.001µF的电容并联旁路到地，且最小电容应靠近电源引脚。

8.12 LVDS输出

LVDS输出是一个电流源，电压摆幅与端接电阻成正比。输出额定差分负载为100Ω ± 1%。

8.13 电缆和连接器

LVDS互连通常具有100Ω的差分阻抗，应使用具有匹配差分阻抗的电缆和连接器，以最小化阻抗不连续性。双绞线和屏蔽双绞线电缆相比带状电缆具有更好的信号质量，并且由于磁场抵消效应，产生的EMI更少。平衡电缆以共模方式拾取噪声，LVDS接收器可以将其抑制。

8.14 电路板布局

为了防止串扰，应将LVTTL/LVCMOS输入和LVDS输出分开。建议使用四层PCB，分别为电源层、接地层和信号层。

8.15 ESD保护

MAX9247的ESD耐受性符合IEC 61000 - 4 - 2、人体模型、机器模型和ISO 10605标准。不同标准下的ESD测试电路和耐受电压不同，例如，在IEC 61000 - 4 - 2标准下，LVDS输出的接触放电耐受电压为±8kV，空气间隙放电耐受电压为±15kV。

九、总结

MAX9247作为一款高性能的数字视频并行 - 串行转换器，具有多种优秀的特性和功能，适用于多种应用领域。在设计过程中，工程师需要充分了解其电气特性、引脚功能和工作原理，合理选择外围元件和设置参数，以确保系统的稳定运行。同时，注意电路板布局、ESD保护等方面的问题，提高系统的可靠性和抗干扰能力。你在使用MAX9247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。