LVDS多点信号传输应用的研究
1．最好情况分析 (1)直流模型 多个接收器对一个驱动器的影响是通过检验一个LVDS驱动器的输出模型和一个LVDS接收器的输入模型来推算的。图1中的共模和差分模型给出了一个由LVDS驱动器、连接器和LVDS接收器所构成的LVDS总线。 (2)驱动器分析 图2是根据TIA/EIA-644标准附加条款C的开发的SN65LVDS31差分信号驱动器简单模型。这个模型尽管复杂，但对于建立一个简化的差分线驱动器模型以检验驱动器对输出负载增加的响应而言，却是十分有用的。模型中的数值可从实际IBIS模型的近似直线中取得。
(3)共模负载 SN65LVDS31的共模输出模型显示，驱动器包含一个小电流源和一个产生1.2Vdc共模电压的1500Ω负载。电流源能够在800uA源电流极限以内维持1.2Vdc，但超过这个限制的负载将导致共模输出漂移。 (4)差分负载 标准的驱动器输出可视为一个带有1100Ω负载，输出阻抗为4mA的电流源；其在终端电阻上所产生的电流为3.66mA(标准值)，并跨过接收器的输入端产生一个366mV的差分电压(Vod)。LVDS标准也规定了一个250mV的最小差分电压。如果终端电阻下降到67Ω，就会产生最小差分电压。同时，差分模型也包含一个被视为25mV电压源的失调电压，它是由各个输出端的失配引起的。这种失配造成输出电压随着电流源的变化以50mV的水平差分变化。如果驱动器没有100Ω终端电阻，其开路差分输出电压将不能保持在4.4Vdc，而上升到Vcc。 2 最坏情况分析 虽然上述器件能满足TIA/EIA-644要求，但还有一些LVDS指标需要说明。 在开发TIA/EIA-644标准的时候，人们主要将它针对低信号传输速率和点对点应用，但对于一点到多点(multiponit)或多点到多点(multidrop)这样的高速应用，其LVDS信号极限问题没有人能清楚地预见到。因此，这些新应用将最终影响那些尚未在标准中完全定义出的参数。 LVDS驱动器共模电流和接收器共模电流就是其中两个尚未定义的参数。TIA/EIA-644标准没有借助±1Vdc的地电位电压差(Vgpd)来定义共模电压范围，而且一个驱动器与一个(或多个)接收器之间所允许的最大共模电流也有待定义。 流出(或流入)每个接收器的漏电流是另一个影响一点到多点或多点到多点应用的参数。TIA/EIA-644标准宣称漏电流不能大于20uA，但并没有规定电流方向。因此，如果一个接收器管脚的漏电流为-20uA而其它接收器管脚为+20uA，同样也能满足指标要求。 需要注意的是，如果接收器的失效保护配置是基于一端为高电位而另一端为低电位的偏置，则会因使用其它制造商的元件而发生漏电流。 理论上讲，所产生的40uA回路电流现在可用来应付驱动器上的差分输出电压(Vod)。驱动器模型的标称输出为366mV(流过91.5Ω等效电阻的4mA电流)，而一个驱动器所允许的Vod最小值为247mV，因此40uA的回路电流给出了大约116mV的工作容限。
利用这一容限，在降至Vod的最小值以前可以把31个接收器(每个接收器为116mV/3.66mV)连接到驱动器上，然而任何所期望的容限都将相应减少这一数目。例如，如果想得到50mV的噪声容限和50mV的地电位差容限，可连接的最大接收器数目将降至5个。图3给出了理论上可连接20个LVDS接收器的条件。 20个接收器建立了一个0.8mA的电流以应付驱动器所产生的差分电压，20个并联的电阻建立了一个大约90Ω的等效系统阻抗，这将导致在100Ω的终端电阻上产生一个288mV的差分电压，因此仅剩下很小的空间发挥系统功能。 注意这是理论上的LVDS接收器，而且这些基于现有LVDS标准的数值是用来演示会发生什么情况的。审查TIA/EIA-644标准的LVDS委员会将会研究这些问题。 3．最大信号率障碍 当以每秒千兆位的速率通过铜线传输数字信号时，要将许多因素考虑进来。最近几年，信号速率和带宽显著增加，同时电缆和连接器制造商也努力紧跟新型硅片的运行速度。虽然影响最大信号率的大部分因素并不是什么新东西，但它们所提出的问题值得认真对待，无论信号速率是每秒千位还是每秒千兆位。 (1)驱动器输出负载 LVDS线驱动器将单端逻辑信号(LVTTL)转换成差分输出电平以及符合LVDS标准的共模电压。电压电平是用来驱动传输线和接收器输入端终端电阻的，但是传输线越长，它对驱动器的影响也就越大。根据TIA/EIA-568-A的规定，CAT5型电缆的直流电阻不应当超过9.38Ω/100米。这一数值意味着当电缆长度为100米时，LVDS驱动器的Vod将降低35mV。然而，LVDS标准所推荐的最大传输距离仅为30米，因此这将Vod的损失限定在10mV范围之内。 电缆也会使交流信号发生衰减(TIA/EIA-568-A)。CAT5型电缆所允许的衰减值可由以下方程式推导出来： 衰减(f)=1.967√f+0.023×f+0.050/√f 式中f代表所施加的频率。 另外一个需要考虑的因素是电缆的特征阻抗(Zo)。根据TIA/EIA-644的规定，应当采用90Ω到132Ω的传输线(非标准应用中可以选用其它值)。由于LVDS驱动器的输出阻抗比Zo大得多，因此当信号在器件中传播时就会产生折射。另外，为了使驱动器与电缆匹配，要在驱动器功率耗散与输出阻抗之间做出割舍。 (2)窜码干扰 窜码干扰(ISI)也会影响最大信号率，这种影响在多节点系统中可能更显著，因为传输线上的多个接收器会使容性负载(capacitive loading)增加。容性负载诱发的窜码干扰ISI导致了与图形(或数据)相关的误差。 信号率较低时，容性负载可能没有那么明显，因为在下一个转换到来之前，信号有时间进行转换并在一个稳定状态(stedy-state)的电平上稳定下来。信号率较高时，信号可能没有足够的时间使接收器探测到转换，结果导致数据误差。 (3)并行总线时延(skew) SN65LVDS31驱动器的输出每500ps改变一次状态，在接收器几厘米之外的互连可近似作为一个阻性负载(resitive load)和一个时延的模型。采用多个LVDS驱动器组成并行总线的系统要求所有信道都具有相同时延，一旦有所差异，则会导致时序错位(timing skew)，两个信道之间就可能出现数据误差。例如一个具有400Mbps信号率的并行总线系统，上升沿时间开销为650ps，下降沿时间开销为650ps，电平处于稳定状态的时间为1200ps。假若一条电缆的传播延迟为5ns/米，两条信道的电缆长度相差20厘米，则会导致1ns的错位或40%的时间开销。 现在，这些问题越来越好管理，因为对于多重双绞线电缆而言，许多电缆制造商都规定了两对电缆之间的最大错位参数，并且经常列出其每对单位长度电缆电导之间的传播时延差异。 (4)终端 位于驱动器和接收器之间的传输线终止于接收器的输入端，其电阻近似等于线缆的特征阻抗。原因有二：第一，LVDS驱动器是电流模式的器件，差分电压跨过终端电阻产生于接收器的输入端；第二，为了将回到传输线的折射减至最小，几乎所有的传输系统都要求采用某种类型的终端。鉴于系统所允许的折射取决于其设计及噪声容限范围，因此一般说来，用±10%的终端电阻值匹配电缆的标称特征阻抗富富有余。TIA/EIA-644规定终端电阻的阻值位于90Ω到132Ω之间，或LVDS接收器两个输入端之间的标称值为100Ω。 在多节点应用中，终端电阻位于最后一个接收器的两个输入端之间，这意味着在理想条件下，均衡的驱动器电流将流过整个传输线。尽管连接在传输线上的其它接收器并不消耗较大的电流，但每一个接收器的连接器和短导线会在传输线上产生多个节点(stubs)，而每一个节点都可以看成是附在传输线上的集总电容(lumped capacitance)，它们会在与传输线相交的点上产生错误匹配。在第一个节点之后，很难维持传输线的特征电阻，传输线上每连续出现一个节点，这种微小的错误匹配就随之增加。如此一来，其总体效应就会导致信号质量恶化、信号转换变慢和交互调制信号增多。很明显，每增加一个额外的节点，系统噪声和信号抖动也会增加，相应地，得到最大信号率的可能性就随之减少。 (5)可允许的抖动 对接收器输出信号的品质要求，基本上取决于系统下行设备的质量。如果下行设备是具有误码纠错和校准功能的高端解码设备，则信号品质并不是主要考虑的因素。然而，如果下行设备是低端设备，则接收器输出信号必须非常“纯净”。 量化信号质量的通用方法是测量接收器输出眼图(eye-pattern)的抖动。眼图包括所有对称和随机的失真，并揭示了信号可能被认为有效时的时间。图4是一个具有重要等同参数的典型眼图。 通过眼图测量方法所获得的抖动值通常用抖动百分比的形式描述，即超出每一位的抖动与时间的百分比。 抖动百分比=绝对抖动/单位间隔时间×100% 单位间隔时间(UI)是信号率的倒数，因此抖动百分比代表逻辑状态被考虑成不确定时的那部分UI。 (6)外部噪声耦合 LVDS的优点之一就是驱动器和接收器之间的均衡差分接口具有卓越的抗噪声能力，这种优点的意义超出了数据传输要求两条电线和连接器引脚这样的事实。由于瞬间噪声和脉冲(spikes)被耦合到接收器输入端的两个电导上，因此，可将环境噪声效应和来自其它设备的干扰降至最小。接收器对通过输入端的信号电平差异作出响应，这种瞬态响应将出现在两个输入电导上，由于它们对系统的影响很小，所以可以忽略不计。虽然差分信号比单端信号有优势，但两种方法都容易受到外部噪声源的影响。 (7)共模电压范围 另一个值得关注的障碍是Vgpd，当驱动器和接收器在不同的位置采用各自的电源供电时，这个电压会偶而出现。当驱动器电源的参考地和接收器电源的参考地不相同时，有可能在驱动器和接收器之间形成一个直流偏移量(dc offset)。针对这一问题，LVDS标准要求任何直流偏移量都应位于±1Vdc的范围之内。另外一个3.3V LVDS系统可能要求驱动器电源和接收器电源之间有一条专用地线，或采用“自来水管”(water-pipe)做地线。 |
