Thomas Brand ADI 公司

在這個自動化、數字化和工業4.0的時代，信號和數據的傳輸正在發揮著越來越大的作用。生產車間內外的這些應用中的機器、系統甚至個別傳感器的聯網，不僅需要穩定的基礎設施，還需要安全、快速、高精度、無干擾、高帶寬的傳輸路徑。根據應用情況，傳輸路徑可能需要承受極端惡劣的環境條件。數據傳輸有多種不同方法：有線、無線、串行和并行。所有方法都有各自的優點和缺點，需要針對具體應用情況仔細權衡。

與有線系統相比，無線技術依賴一系列關鍵參數、不同元器件和當前環境影響等因素。無線電通信的一個重要方面是無線電范圍，它取決于發射和接收天線的位置、發射功率、本地環境條件和頻率范圍。因此，在規劃無線電傳輸應用時，必須考慮相應的標準，尤其是與通信范圍有關（因而與接收信號質量有關）的標準。

過去，幾Mbps的帶寬即足以滿足接口轉換器或工業背板等應用的需求。串行外設接口(SPI)或RS-485等不同接口部分需要的隔離，仍然可以通過標準解決方案實現。然而，當前的工業4.0和物聯網(IoT)等潮流需要大量測量和極其復雜的控制系統，對數據速率或帶寬的要求也更高，而這又必須由接口承擔。對接口的這些及其他不斷增長的需求，例如更高安全性（體現為更高的介電強度）、更高可靠性和更小空間要求，傳統解決方案已不再管用。對此，數字隔離器也是最佳解決方案，因為其不僅滿足上述更高的安全性、性能和可靠性要求，而且還提供集成隔離及多路輸入輸出。

信號傳輸應用常用的方法是低壓差分信號傳輸(LVDS)。這涉及到串行數據傳輸的既有接口標準(TIA/EIA-644)，除了極佳的節能特性和高達幾Gbps的數據速率潛力之外，它還具有很高的抗擾度。這些良好特性可歸因于內部使用的電流控制或驅動器模塊的限流功能（最大3 mA）。信號差分電壓僅為20 mV。但是，它隨后在接收器側被放大回300 mV（差分）的邏輯電平。由此獲得的好處包括電磁干擾(EMI)極其低、開關速度極其快等。

LVDS接口常常與控制和調節系統一起使用，大數據量必須在電子電路之間或短電纜之間發送。它還能將時鐘信號非常快速地分配給完整應用中的不同器件，從而使相應器件同步。工業測量應用和控制系統中的模擬前端(AFE)屬于LVDS的典型應用。不過，它也常用于實現多個數據節點之間的以及視頻信號傳輸中的數字接口，例如通過HDMI?。另一個不容忽視的方面是LVDS電路提供電流隔離的可能性。因此，它也用于任何需要隔離通信接口的地方，例如在電子電路或背板中。

背板是含有多個連接器的電路板，用于容納各種外掛板模塊。基本系統利用背板可輕松實現即插即用擴展，以包括更多組件。然而，外掛模塊常常要經受高壓瞬變，因為在許多應用中，它們與連接到配電網的部件直接接觸。因此，外掛模塊容易受到雷擊等外部事件的影響。人體接觸引起的靜電放電，內部電容突然充電、反極性充電或在插拔外掛模塊時放電，也會導致高瞬變。因此，安全隔離接口對于系統是必不可少的。否則，如果發生電壓瞬變，相連組件很容易損壞，或者危及用戶。功能隔離的通信接口對工業測量儀器也很有利，因為隔離接口提供一個浮空接地，例如位于模數轉換器和微控制器之間。這樣，測量信號就不會影響和干擾應用的其余部分，也不會受其影響或干擾。

市場上已經有各種各樣用于實現隔離LVDS接口的產品。ADI公司的隔離LVDS系列是非常有效且可靠的解決方案，包括ADN4650、ADN4651和ADN4652，支持高達600 Mbps的數據速率，同時也符合非隔離LVDS接口的標準值。相比之下，標準數字隔離器只能達到150 Mbps。由于采用iCoupler?技術，盡管存在隔離，該系列仍能實現非常高的數據速率。這涉及到利用微機電系統(MEMS)實現片上變壓器，從而簡單地隔離數字信號并節省空間。

LVDS系列還提供超精密時間特性和極低的抖動（也稱為時序抖動）。抖動描述數字信號的上升沿和下降沿相對于理想時間基準的偏差。在高數據速率下，低抖動非常重要，因為以600Mbps的速率傳輸一比特僅需1.6 ns。對信號上升沿或下降沿中的抖動要求是，必須讓模數轉換器有足夠的時間來達到實際的高電平或低電平，以便可以正確執行采樣。對于ADN465x系列，抖動典型值為70 ps。LVDS模塊還提供兩個隔離LVDS通道，構成ADN4651中的發射和接收通道。ADN4652中的通道排列與ADN4651中的通道排列相反，而ADN4650僅提供發射或接收通道，具體取決于接線。ADN465x系列利用內部2.5 V電源電壓工作；遺憾的是，工業系統常常沒有這種電源電壓，僅提供3.3 V電壓。因此，ADN465x系列中集成了低壓差穩壓器(LDO)，其輸入端可接受3.3 V的外部電源電壓。模塊或其輸入端及其隔離輸出端的供電可以使用隔離式ADuM5000 DC-DC轉換器等實現。這樣可以選擇性地產生5 V或3.3 V的隔離輸出電壓，最大功率輸出為500 mW。此電路配置如圖1所示。

結合ADuM5000，該器件系列可滿足當今工業應用對隔離LVDS接口的眾多要求。這種高度集成的解決方案還滿足標準化總線通信的所有先決條件。LVDS接口經常用于節能應用。對此，ADN4651和ADuM5000的組合是替代傳統光耦合器的極其省電的解決方案。常常需要同時隔離多個通道。

在LVDS應用中，通道并行使用以使吞吐速率和相應的波特率最大。所述采用ADI公司上述模塊的電路提供一個四通道隔離器：兩個發射通道和兩個接收通道。因此，一個電子組件上的兩個完整發射和接收通道可同時以非常高的傳輸速率進行信號傳輸。

只要符合關于最大脈沖寬度失真的要求，利用ADN465x系列便可輕松達到DC至600 Mbps的數據速率。此外，布局中必須考慮與高速傳輸差分信號相關的一些因素。輸入側和輸出側走線應匹配，并且相對于地具有近似50Ω的阻抗，或信號線之間具有100Ω阻抗。另外，建議在LVDS輸入端連接100Ω端接電阻，如圖2所示。

電纜長度和連接器類型也會影響最大數據速率。使用較低數據速率（最高200 Mbps）并與支持高數據速率和帶有屏蔽線對的連接器結合時，電纜甚至可以長達數米。

ADN4650/ADN4651/ADN46521是信號隔離式LVDS緩沖器，數據速率高達600 Mbps，并且具有極低的抖動。與ADuM5000的這種組合使其成為高速信號傳輸的理想選擇，能夠實現短距離600 Mbps和數米距離200 Mbps的傳輸速率。

作者簡介

Thomas Brand于2015年10月在德國慕尼黑加入ADI公司，當時他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現場應用工程師培訓生項目。之后在2017年2月，他開始擔任現場應用工程師職位，主要負責工業大客戶。此外，他還專注于研究工業以太網，并為中歐的相關事務提供支持。

他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。聯系方式：thomas.brand@analog.com 。