探秘SCAN921025H和SCAN921226H：高速數據傳輸的理想之選

在電子工程師的日常工作中，高速、可靠的數據傳輸一直是追求的目標。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的SCAN921025H和SCAN921226H這對高性能的10位串行器和解串器芯片組，看看它們如何在各種應用場景中大放異彩。

文件下載：scan921025h.pdf

產品概述

SCAN921025H和SCAN921226H專為在20 - 80 MHz的時鐘速度下通過差分背板傳輸數據而設計，同時也能驅動非屏蔽雙絞線（UTP）電纜。這對芯片組具有高溫工作能力，可在高達125°C的環境下穩定運行，非常適合汽車、工業以及軍事/航空航天等對可靠性要求極高的應用場景。

功能特性亮點

1. 高溫穩定性：能夠在125°C的高溫環境下正常工作，這使得它在一些惡劣的工業和汽車環境中也能可靠運行。
2. 測試模式豐富：符合IEEE 1149.1（JTAG）標準，支持邊界掃描測試，同時具備全速內置自測試（BIST）模式，方便工程師對串行器和解串器之間的互連進行高速驗證。
3. 時鐘恢復能力：PLL能夠從隨機數據模式中恢復時鐘，確保數據傳輸的穩定性。
4. 低功耗設計：芯片組（Tx + Rx）在80 MHz時鐘頻率下的功耗小于600 mW（典型值），有效降低了系統的整體功耗。
5. 單差分對設計：采用單差分對數據路徑，簡化了PCB設計，減少了電纜、PCB走線數量和連接器尺寸，從而降低了成本，同時消除了時鐘與數據以及數據與數據之間的偏斜。
6. 高速數據傳輸：串行總線LVDS數據速率可達800 Mbps（在80 MHz時鐘頻率下），滿足高速數據傳輸的需求。

工作模式詳解

初始化

在數據傳輸開始之前，必須對串行器和解串器進行初始化。這主要包括將兩者的PLL同步到本地時鐘，然后再將解串器同步到串行器。具體步驟如下：

1. 當給串行器和解串器施加 $V{CC}$ 時，相應的輸出進入三態，片上上電電路會禁用內部電路。當 $V{CC}$ 達到 $V_{CC} OK$（2.5V）時，每個設備中的PLL開始鎖定本地時鐘。
2. 串行器的PLL鎖定到發送時鐘（TCLK）后，就可以根據SYNC1和SYNC2輸入的電平發送數據或同步模式。同步模式由六個1和六個0組成，以輸入時鐘速率切換。
3. 解串器的PLL必須同步到串行器才能完成初始化。發送同步模式可以使解串器在指定時間內鎖定到串行器信號。

數據傳輸

初始化完成后，串行器會從輸入DIN0 - DIN9接收數據，并使用TCLK輸入鎖存數據。根據TCLK_R/F引腳的選擇，確定使用哪個時鐘邊沿來選通數據。數據位會在內部添加起始位和停止位進行幀封裝，然后以12倍TCLK頻率從串行數據輸出（DO±）發送序列化的數據和時鐘位。

重新同步

如果解串器失去鎖定，LOCK引腳輸出將變為高電平，輸出（包括RCLK）將進入三態。用戶系統可以通過監控LOCK引腳來檢測同步丟失，并通過脈沖串行器的SYNC1或SYNC2引腳來重新同步。

隨機鎖定初始化和重新同步

SCAN921226H可以在不需要串行器發送特殊同步模式的情況下鎖定到數據流，這使得它可以在“開環”應用中工作，并且支持熱插入到正在運行的背板中。不過，由于數據模式的不同，鎖定時間會有所變化。

掉電模式

當不需要進行數據傳輸時，可以使用掉電模式來降低功耗。將PWRDN引腳驅動為低電平，串行器和解串器的PLL將停止工作，輸出進入三態。

三態模式

通過將DEN引腳驅動為低電平，串行器的輸出引腳將進入三態；將REN引腳驅動為低電平，解串器的輸出引腳將進入三態。

測試模式

除了IEEE 1149.1對數字TTL引腳的測試訪問外，SCAN921025H和SCAN921226H還提供了兩種測試LVDS互連的指令：EXTEST和RUNBIST。EXTEST用于簡單的通過/不通過測試，RUNBIST則是一種“系統速度”的互連測試。

電氣特性與參數

絕對最大額定值

了解芯片的絕對最大額定值對于確保其安全運行至關重要。SCAN921025H和SCAN921226H的絕對最大額定值包括電源電壓、輸入輸出電壓、結溫、存儲溫度等。例如，電源電壓（Vcc）的范圍為 -0.3V至 +4V，結溫最高可達 +150°C。

推薦工作條件

在實際設計中，應遵循推薦的工作條件，以確保芯片的性能和可靠性。推薦的電源電壓（Vcc）為3.0 - 3.6V，工作環境溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

電氣特性參數

文檔中詳細列出了串行器和解串器的各種電氣特性參數，包括LVCMOS/LVTTL輸入輸出電壓、電流、Bus LVDS輸出電壓、差分電壓不平衡等。這些參數對于電路設計和性能評估非常重要。

應用注意事項

電源考慮

芯片采用全CMOS設計，本身具有低功耗的特性。Bus LVDS輸出的恒流源特性可以最小化速度與 $ICC$ 曲線的斜率，進一步降低功耗。

解串器上電

SCAN921226H可以在任何時候按照正確的順序上電。REFCLK輸入必須在解串器上電前運行，并且在解串器檢測到輸入數據傳輸并鎖定到數據流之前，輸出將保持在三態。

數據傳輸

串行器和解串器上電后，必須進行相位鎖定才能傳輸數據。可以通過發送同步模式或讓解串器的“隨機鎖定”電路自動鎖定到數據流來實現相位鎖定。

噪聲容限

解串器的噪聲容限是指它能夠容忍的輸入抖動（相位噪聲）量，各種環境和系統因素都會影響噪聲容限，包括串行器的TCLK抖動、$V{CC}$ 噪聲、傳輸介質的ISI和 $V{CM}$ 偏移以及解串器的 $V_{CC}$ 噪聲等。

鎖定丟失恢復

如果解串器在數據傳輸過程中失去鎖定，由于鎖定檢測電路的延遲，最多可能有3個數據周期無效。解串器可以通過讓串行器重新發送同步模式或隨機鎖定來重新鎖定到數據流。

熱插拔

所有BLVDS設備都支持熱插拔，但在插入和移除時需要遵循一定的順序，以確保設備的安全。

PCB設計

為了確保信號完整性，Bus LVDS串行器和解串器應盡可能靠近邊緣連接器放置，減少解串器到插槽連接器的距離，以降低總線阻抗和負載。

傳輸介質

芯片組可以用于背板、PCB走線或雙絞線電纜的點對點配置。在點對點配置中，傳輸介質只需在接收器端進行端接，同時需要考慮串行器和解串器的接地電平偏移問題。

故障安全偏置

SCAN921226H具有更高的輸入閾值靈敏度，但在接收器輸入未被主動驅動時，可能會拾取噪聲導致意外鎖定。可以通過在接收器電路板上添加外部電阻來防止噪聲拾取。

總結

SCAN921025H和SCAN921226H芯片組憑借其豐富的功能特性、可靠的性能和低功耗設計，為電子工程師在高速數據傳輸應用中提供了一個理想的解決方案。在實際設計過程中，我們需要充分了解其工作模式、電氣特性和應用注意事項，以確保系統的穩定性和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地使用這對芯片組，在項目中取得更好的成果。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。