SNx5LVDSxx高速差分线路驱动器：设计指南与应用解析

在电子设计领域，高速数据传输的需求日益增长，LVDS（低电压差分信号）技术因其低功耗、高速率和抗干扰能力强等优点，成为了众多应用的首选。今天，我们将深入探讨TI的SN55LVDS31、SN65LVDS31、SN65LVDS3487和SN65LVDS9638这几款高速差分线路驱动器，为大家提供全面的设计指南和应用解析。

文件下载：SN65LVDS31DR.pdf

一、产品概述

SNx5LVDSxx系列器件是双通道和四通道LVDS线路驱动器，它们采用单3.3V电源供电，输入为LVTTL信号，输出符合LVDS标准（TIA/EIA - 644A）。这些驱动器能够满足或超越ANSI TIA/EIA - 644标准的要求，典型输出电压为350mV，负载为100Ω，具有快速的上升和下降时间（典型值为500ps，对应400Mbps）以及1.7ns的典型传播延迟时间。此外，它们还具备低功耗、高ESD保护等特点，适用于无线基础设施、电信基础设施、打印机等多种应用场景。

1.1 特性亮点

• 符合标准：满足或超越ANSI TIA/EIA - 644标准，确保了信号的兼容性和可靠性。
• 低电压差分信号：典型输出电压为350mV，降低了功耗，提高了开关速度。
• 快速的上升和下降时间：典型值为500ps，适用于高速数据传输。
• 低传播延迟：典型值为1.7ns，减少了信号传输的延迟。
• 单3.3V电源供电：简化了电源设计，降低了成本。
• 低功耗：每个驱动器在200MHz时的典型功耗为25mW。
• 高ESD保护：总线终端ESD保护超过8kV，提高了器件的可靠性。
• LVTTL逻辑输入电平：与常见的逻辑电平兼容，方便设计。
• 引脚兼容：与AM26LS31、MC3487和μA9638引脚兼容，便于替换和升级。
• 冷备用功能：适用于需要冗余的空间和高可靠性应用。

1.2 应用领域

• 无线基础设施：用于高速数据传输和信号处理，提高通信系统的性能。
• 电信基础设施：支持长距离、高速率的数据传输，保证通信的稳定性。
• 打印机：实现高速打印数据的传输，提高打印效率。

二、器件信息

2.1 封装类型

这些器件提供多种封装类型，以满足不同的应用需求。具体封装信息如下表所示：	器件型号	封装类型	尺寸（标称）
SN55LVDS31	LCCC (20)	8.89mm × 8.89mm
	CDIP (16)	19.56mm × 6.92mm
	CFP (16)	10.30mm × 6.73mm
SN65LVDS31	SOIC (16)	9.90mm × 3.91mm
	SOP (16)	10.30mm × 5.30mm
	TSSOP (16)	5.00mm × 4.40mm
SN65LVDS3487	SOIC (16)	9.90mm × 3.91mm
	TSSOP (16)	5.00mm × 4.40mm
SN65LVDS9638	SOIC (8)	4.90mm × 3.91mm
	VSSOP (8)	3.00mm × 3.00mm
	HVSSOP (8)	3.00mm × 3.00mm

2.2 引脚功能

不同型号的器件引脚功能有所不同，下面以SN55LVDS31 J或W、SN65LVDS31 D或PW为例，介绍其引脚功能：	引脚名称	引脚编号	I/O	描述
VCC	16	-	电源电压
GND	8	-	接地
1A	1	I	LVTTL输入信号
1Y	2	O	差分（LVDS）非反相输出
1Z	3	O	差分（LVDS）反相输出
2A	7	I	LVTTL输入信号
2Y	6	O	差分（LVDS）非反相输出
2Z	5	O	差分（LVDS）反相输出
3A	9	I	LVTTL输入信号
3Y	10	O	差分（LVDS）非反相输出
3Z	11	O	差分（LVDS）反相输出
4A	15	I	LVTTL输入信号
4Y	14	O	差分（LVDS）非反相输出
4Z	13	O	差分（LVDS）反相输出
G	4	I	使能（高电平有效）
G/	12	I	使能（低电平有效）

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

在使用这些器件时，需要注意其绝对最大额定值，以确保器件的安全运行。以下是部分绝对最大额定值：	参数	最小值	最大值	单位
VCC（电源电压范围）	-0.5	4	V
VI（输入电压范围）	-0.5	VCC + 0.5	V
连续总功耗	见7.4节	-	-
引脚温度（距外壳1.6mm，10秒）	-	260	°C
Tstg（存储温度）	-65	150	°C

3.2 ESD额定值

这些器件具有良好的ESD保护能力，其ESD额定值如下：	参数	测试条件	值	单位
V(ESD)（静电放电）	人体模型（HBM），所有引脚	±8000	V

3.3 推荐工作条件

为了确保器件的性能和可靠性，建议在以下推荐工作条件下使用：	参数	最小值	标称值	最大值	单位
VCC（电源电压）	3	3.3	3.6	V
VIH（高电平输入电压）	2	-	-	V
VIL（低电平输入电压）	-	-	0.8	V
TA（工作环境温度）	SN65前缀：-40 SN55前缀：-55	-	SN65前缀：85 SN55前缀：125	°C

3.4 热信息

了解器件的热特性对于设计散热方案非常重要。以下是部分热信息：	热指标	SN55LVDS31	SN65LVDS31	SN65LVDS3487	SN65LVDS9638	单位
RθJA（结到环境热阻）	-	-	-	-	°C/W
RθJC(top)（结到外壳（顶部）热阻）	-	46.0、44.2	-	72.3	°C/W
RθJB（结到电路板热阻）	-	41.8、26.4	-	101.5	°C/W
ψJT（结到顶部特性参数）	-	11.1、10.9	-	11	°C/W
ψJB（结到电路板特性参数）	-	41.5、46.1	-	99.7	°C/W
功率额定值（TA ≤ 25°C）	1375	950、774	950	425、2140	mW
功率额定值（TA ≤ 70°C）	880	608、496	608	272、1370	mW
功率额定值（TA ≤ 85°C）	715	494、402	494	221、1110	mW
功率额定值（TA ≤ 125°C）	275	-	-	-	mW

3.5 电气特性

不同型号的器件在电气特性上有一些细微的差异，以下以SN55LVDS31为例，介绍其部分电气特性：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VOD（差分输出电压幅度）	RL = 100Ω	247	340	454	mV
ΔVOD（逻辑状态间差分输出电压幅度变化）	RL = 100Ω	-50	-	50	mV
VOC(SS)（稳态共模输出电压）	-	1.125	1.2	1.375	V
ΔVOC(SS)（逻辑状态间稳态共模输出电压变化）	-	-50	-	50	mV
VOC(PP)（峰 - 峰共模输出电压）	-	-	50	150	mV
ICC（电源电流）	VI = 0.8或2V，使能，无负载	-	9	20	mA
	VI = 0.8或2V，RL = 100Ω，使能	-	25	35	mA
	VI = 0或VCC，禁用	-	0.25	1	mA
IIH（高电平输入电流）	VIH = 2V	-	4	20	μA
IIL（低电平输入电流）	VIL = 0.8V	-	0.1	10	μA
IOS（短路输出电流）	VO(Y)或VO(Z) = 0	-	-4	-24	mA
	VOD = 0	-	±12	-	mA
IOZ（高阻抗输出电流）	VO = 0或2.4V	-	-	±1	μA
IO(OFF)（电源关闭输出电流）	VCC = 0，VO = 2.4V	-	-	±4	μA
Ci（输入电容）	-	-	3	-	pF

3.6 开关特性

开关特性对于高速数据传输非常重要，以下以SN55LVDS31为例，介绍其部分开关特性：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
tPLH（低到高电平输出传播延迟时间）	RL = 100Ω，CL = 10pF	0.5	1.4	4	ns
tPHL（高到低电平输出传播延迟时间）	-	1	1.7	4.5	ns
tr（差分输出信号上升时间（20% - 80%））	-	0.4	0.5	1	ns
tf（差分输出信号下降时间（80% - 20%））	-	0.4	0.5	1	ns
tsk(p)（脉冲偏移（	tPHL - tPLH	））	-	-	0.3	0.6	ns
tsk(o)（通道间输出偏移）	-	-	0.3	0.6	ns
tPZH（高阻抗到高电平输出传播延迟时间）	-	-	5.4	15	ns
tPZL（高阻抗到低电平输出传播延迟时间）	-	-	2.5	15	ns
tPHZ（高电平到高阻抗输出传播延迟时间）	-	-	8.1	17	ns
tPLZ（低电平到高阻抗输出传播延迟时间）	-	-	7.3	15	ns

四、详细描述

4.1 概述

SNx5LVDSxx器件采用单电源供电，标称电压为3.3V，范围为3V至3.6V。输入为LVTTL信号，输出为符合LVDS标准的差分信号，典型信号电平为340mV，共模电压为1.2V。这种低差分输出电压降低了辐射能量，同时差分输出方式提高了对共模耦合信号的抗干扰能力。

4.2 功能框图

文档中提供了不同型号器件的逻辑框图，展示了其内部结构和信号处理流程。

4.3 特性描述

• 驱动器禁用输出：当驱动器禁用或电源断开时，输出为高阻抗状态。
• NC引脚：未连接的引脚（NC）在电路板上接地，有助于提高热性能。
• 未使用的使能引脚：未使用的使能引脚应根据需要连接到VCC或GND。
• 驱动器等效原理图：驱动器输入由CMOS反相器和7V齐纳二极管组成，提供ESD保护。输出级为差分对，包含齐纳二极管用于ESD保护，近似为恒流源。

4.4 器件功能模式

不同型号的器件在功能模式上有所不同，以SN55LVDS31、SN65LVDS31为例，其功能模式如下表所示：	输入A	使能G	使能G/	输出Y	输出Z
H	H	X	H	L
L	H	X	L	H
H	X	L	H	L
L	X	L	L	H
X	L	H	Z	Z
开路	H	X	L	H
开路	X	L	L	H

注：H = 高电平，L = 低电平，X = 无关，Z = 高阻抗（关断）

五、应用与实现

5.1 应用信息

SNx5LVDSxx器件通常用于高速、点对点的数据传输，适用于接地差异小于1V的场景。LVDS驱动器和接收器提供了高速信号传输能力，无需ECL类设备的高功率和双电源要求。然而，通信链路的传输距离和速率往往受到互连介质的限制。

5.2 典型应用

5.2.1 点对点通信

点对点通信是LVDS缓冲器最基本的应用，适用于数字数据的传输。在这种应用中，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，接收器将差分信号恢复为单端信号。

• 设计要求：
  • 驱动器电源电压：3.0至3.6V
  • 驱动器输入电压：0.8至3.3V
  • 驱动器信号速率：DC至400Mbps
  • 互连特性阻抗：100Ω
  • 终端电阻：100Ω
  • 接收器节点数量：1
  • 接收器电源电压：3.0至3.6V
  • 接收器输入电压：0至2.4V
  • 接收器信号速率：DC至400Mbps
  • 驱动器和接收器之间的接地偏移：±1V
• 详细设计步骤：
  • 驱动器电源电压：驱动器采用单电源供电，电压范围为3V至3.6V，差分输出电压在整个输出范围内标称值为340mV。
  • 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，应使用多层陶瓷芯片或表面贴装电容（如0603或0805尺寸），以减少引线电感。电容值可根据公式 (C