SN65LVDSxxx：高速通信的可靠選擇

一、引言

在電子工程領域，高速數據傳輸一直是一個關鍵需求，尤其是在無線基礎設施、電信基礎設施、打印機等眾多應用場景中，對信號傳輸的速度和穩定性要求越來越高。德州儀器（TI）的 SN65LVDS179、SN65LVDS180、SN65LVDS050 和 SN65LVDS051 系列差分線驅動器和接收器，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為了高速通信設計中的理想選擇。在這篇文章中，我們將深入探討這些器件的特性、應用和設計要點。

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二、器件特性

2.1 性能卓越

• 高速通信：這些器件使用低電壓差分信號（LVDS）技術，能實現高達 400 Mbps 的信號傳輸速率，滿足大多數高速通信場景的需求。不過在不同模式下，各器件的推薦最大運行速度有所差異，例如 SN65LVDS179 和 SN65LVDS180 在所有緩沖區激活時為 150 Mbps，而僅發送緩沖區工作時可達 400 Mbps；SN65LVDS050 和 SN65LVDS051 在所有緩沖區激活時為 100 Mbps，僅發送緩沖區工作時同樣可達 400 Mbps。
• 低功耗：在 200 MHz 時，驅動器典型功耗為 25 mW，接收器典型功耗為 60 mW，有效降低了系統的整體功耗。
• 低傳播延遲：驅動器典型傳播延遲時間為 1.7 ns，接收器典型傳播延遲時間為 3.7 ns，確保了信號的快速準確傳輸。

2.2 電氣特性良好

• 符合標準：滿足或超過 ANSI TIA/EIA - 644 - 1995 標準，提供了一個最小差分輸出電壓幅度為 247 mV 到 400 Mbps 負載的電氣接口，能與其他符合標準的設備良好兼容。
• 高 ESD 保護：總線引腳的靜電放電（ESD）能力超過 12 kV，增強了器件的可靠性和穩定性，減少了因靜電干擾導致的故障。
• 寬電壓范圍：采用單 3.3 - V 電源供電，LVTTL 輸入電平具有 5 - V 容限，增加了器件的適用性。

2.3 特殊特性

• 驅動器偏移控制：通過內置的感應電路和控制環路，能將輸出信號的共模電壓保持在 1.2 V（±75 mV），并且在 3.0 - 3.6 V 的電源范圍內都能穩定維持該輸出共模電壓。
• 接收器故障安全：當接收器輸入開路時，通過 300 - kΩ 電阻將信號線拉至 $V_{CC}$，并利用與門檢測該狀態，強制輸出為高電平，有效避免了因輸入信號異常導致的不確定輸出。

三、應用領域

這些器件可以作為高速、點對點數據傳輸的構建模塊，適用于各種地面電勢差小于 1 V 的場合。具體的應用場景包括無線基礎設施、電信基礎設施、打印機等。在這些應用中，LVDS 驅動器和接收器能夠提供高速信號傳輸，并且不需要像 ECL 類設備那樣的高功率和雙電源要求。

四、設計要點

4.1 電源設計

• 電源電壓：LVDS 驅動器和接收器可以在 3.0 - 3.6 V 的單電源下工作。在設計時，要保證電源的穩定性，以確保差分輸出電壓在整個輸出范圍內保持標稱的 340 mV，并且最小輸出電壓在 3.0 - 3.6 V 的電源范圍內都能滿足 LVDS 標準的要求。
• 旁路電容：旁路電容在電源分配電路中起著至關重要的作用。在板級使用大電容（10 - 1000 μF）可以在低頻段提供低阻抗路徑，但在高頻時，由于其電感值較大，效果會變差。因此，需要在集成電路附近使用較小的電容（nF - μF 范圍），如多層陶瓷芯片或表面貼裝電容（尺寸 0603 或 0805），其引線電感約為 1 nH，能有效降低高頻阻抗。

4.2 互連設計

• 互連介質：驅動器和接收器之間的物理通信通道可以是任何符合 LVDS 標準的平衡配對金屬導體，如雙絞線、雙軸線、扁平帶狀電纜或 PCB 走線。互連的標稱特性阻抗應在 100 - 120 Ω 之間，變化不超過 10%（即 90 - 132 Ω）。
• PCB 傳輸線：在 PCB 設計中，常見的傳輸線結構有微帶線和帶狀線。微帶線是位于 PCB 外層的走線，而帶狀線是位于兩層接地平面之間的走線。TI 建議，如果可能的話，將 LVDS 信號路由在微帶傳輸線上，因為 PCB 走線允許設計者根據整體噪聲預算和反射容限來指定所需的阻抗公差。
• 終端電阻：為了確保入射波切換，終端電阻應與傳輸線的特性阻抗匹配，并且盡可能靠近接收器放置，以減少電阻到接收器的短線長度。如果傳輸線的目標阻抗為 100 Ω，終端電阻應在 90 - 110 Ω 之間。

4.3 布局設計

• 微帶與帶狀線拓撲：在 PCB 設計中，微帶線和帶狀線是常見的傳輸線選擇。微帶線位于 PCB 外層，而帶狀線位于兩層接地平面之間。雖然帶狀線能有效減少電磁輻射和干擾，但從高速傳輸的角度來看，微帶線能讓設計者根據整體噪聲預算和反射容限來更精確地控制特性阻抗。因此，TI 建議在可能的情況下，將 LVDS 信號布線在微帶傳輸線上。
• 介質類型和板構造：對于信號速度要求不高，信號上升或下降時間大于 500 ps 的情況，FR - 4 或類似的介質通常能滿足 LVDS 信號的傳輸要求。但當 TTL/CMOS 信號的上升或下降時間小于 500 ps 時，像 Rogers?4350 或 Nelco N4000 - 13 這種介電常數接近 3.4 的材料更為合適。在確定介質后，電路板的銅箔重量、鍍層厚度、阻焊層等構造參數也會影響信號性能，需要嚴格按照設計指南進行選擇。
• 推薦堆疊布局：為了減少 TTL/CMOS 信號與 LVDS 信號之間的串擾，建議采用至少兩層獨立信號層的堆疊布局。例如，四層 PCB 板可以將 LVDS 信號布線在第一層，TTL/CMOS 信號布線在第四層，中間夾著接地層和電源層；六層 PCB 板則能提供更多的信號隔離和布局靈活性，進一步提高信號完整性。
• 走線間距：差分對之間的緊密耦合可以利用電磁場抵消來降低噪聲，但同時要保證差分對的電氣長度一致，以減少信號偏斜和反射。對于相鄰的單端走線，建議采用 3 - W 規則，即走線間距應大于單個走線寬度的兩倍，或者從走線中心到中心的距離為走線寬度的三倍。同樣的規則也適用于相鄰的 LVDS 差分對。
• 串擾和地彈最小化：為了減少串擾，要為高頻電流提供盡可能接近其源走線的返回路徑，通常通過接地平面來實現。保持走線盡可能短，并確保接地平面連續，避免接地平面出現不連續情況，因為這會增加返回路徑電感，從而提高串擾的可能性。

五、總結

SN65LVDS179、SN65LVDS180、SN65LVDS050 和 SN65LVDS051 系列器件憑借其高速、低功耗、高 ESD 保護等優點，在高速通信領域具有廣泛的應用前景。在實際設計中，我們需要充分考慮電源、互連和布局等方面的因素，以確保器件能夠發揮出最佳性能。希望本文能為電子工程師們在使用這些器件進行設計時提供一些有價值的參考。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。