圖1:PECL/LVPECL到LVDS的接口電路。

低電壓差分信號(LVDS)在對信號完整性、低抖動及共模特性要求較高的系統中得到了廣泛的應用。本文針對LVDS與其他幾種接口標準之間的連接,對幾種典型的LVDS接口電路進行了討論。

如今對高速數據傳輸的需求正推動著接口技術向高速、串行、差分、低功耗以及點對點接口的方向發展,而低電壓差分信號(LVDS)具備所有這些特性。Pericom半導體公司可提供多種LVDS驅動器、接收器以及時鐘分配緩沖器芯片。

本文將討論LVDS與正射極耦合邏輯(PECL)、低電壓正射極耦合邏輯(LVPECL)、電路模式邏輯(CML)、RS-422以及單端器件之間采用電阻網絡的接口電路設計。

圖2:調整電路,R1＝(VR1
+R1a),R2＝(VR2+R2a),
R3＝(VR3+R3a)。

因為各廠商所提供的驅動器與接收器的結構不一樣,所以本文提供的電路僅供設計時參考。設計者需要對電路進行驗證,并調節電路中的電阻和電容值以獲得最佳性能。

電阻分壓器的計算

表1列出了本文所采用的不同接口標準的工作電壓。為使PECL和LVPECL接口標準能與Pericom公司的LVDS器件進行連接,采用電阻分壓器在不同電壓之間切換。

圖3:PECL到LVDS的接口電路。

圖1所示的接口電路采用由電阻R1、R2和R3組成的電阻分壓器。R1、R2與R3的電阻值計算如下:

R1||(R2+R3)＝Z

[(R2+R3)/(R1+R2+R3)]＝Va/Vcc

R3/(R1+R2+R3)＝Vb/Vcc

其中:

Va為SEPC或LVPECL的偏置電壓Vos,分別為和；

Vb為LVDS的偏置電壓Vos,等于；

圖4:LVDS到PECL的接口電路。

Z為線路阻抗,等于50Ω。

Vb上的增益G為:

G＝R3/(R2+R3)

Vb上的擺幅為:

Vbs＝Vas×G

其中:

圖5:LVPECL到LVDS的接口電路。

Vas為Va上的擺幅；

Vbs為Vb上的擺幅。

由于在計算中沒有考慮驅動器的輸出阻抗,所以在實際應用設計中,R1、R2及R3的電阻值與上述計算的結果不一樣。另外,不同廠家的驅動器的輸出結構和阻抗不一樣,因此R1、R2及R3的電阻值也是不同的。

可以通過三種方法算出電阻值。

1.經驗法

圖6:LVDS到LVPECL的接口電路。

利用表2列出的電阻參考值,并根據后面介紹的方法2及方法3來調節這些值。接口設計者應通過測量Va和Vb上的偏置電壓Vos以及擺幅Vpp來驗證實際應用設計電路。

2.仿真工具法

從廠家獲得驅動器的IBIS模型,并針對R1、R2及R3的電阻值對接口電路進行仿真。如果IBIS模型和仿真工具都很精確,則電路仿真將提供準確的R1、R2及R3的電阻值,然后通過測量實際電路來驗證仿真得到的電阻值。

3.實際調節法

圖7:采用二極管的LVDS
到LVPECL的接口電路。

采用圖2所示的電路調節R1、R2及R3的電阻值。電阻R1a、R2a及R3a用來限制調節范圍,以避免出現過載電流。當調節電路并用示波器監視Va與Vb上的信號時,調節VR1、VR2與VR3:

a. 對于Pericom公司的LVDS 接收器,Vb上的Vos(在擺幅范圍中間的平均電壓)應介于之間。有關Va上的Vos,請查閱驅動器參數。

b. 對于Pericom公司的接收器,Vb上的擺動范圍應介于350mV-550mV之間。有關Va上的擺幅,請參見驅動器規范,Va上的擺幅可能低于驅動器規范以便滿足Vb上的擺幅要求。

圖8:CML到LVDS的接口電路。

c. 電路調節完以后,再測量VR1與R1a,得到R1的電阻值；測量VR2與R2a,得到R2的電阻值；測量VR3與R3a,得到R3的電阻值。

d. 用較低頻率的信號對電路進行調節會更加簡單,頻率最好介于100kHz-10MHz之間,但請確認電路是否在正常頻率下工作,如果需要的話可再次調節。

圖9:LVDS到CML的接口電路。

接口電路的限制

由于接口電路增加了額外電容與電阻網絡,因此接口電路的最高工作頻率將低于器件手冊上提供的最高頻率。驅動器與接收器之間的走線長度也有限制,走線長度取決于頻率,當頻率為66MHz時,估計最大走線長度為14英寸,頻率為320MHz時則為2英寸。

走線長度是一個實際問題且取決于實際設計。為減少寄生電容、電感及信號反射以獲得更高性能,接口電路中器件之間的走線應盡量短,越短越好。接口電路使用的電容、電阻以及二極管必須為短引腳的高速器件,而且最好采用芯片型封裝。

圖10:RS-422到LVDS的接口電路。

參考接口電路

圖3至圖12給出了LVDS與PECL、LVPECL、CML、RS-422及單端器件之間的接口電路,它們的調節方法以及電路限制如前所述。

1. LVDS至PECL

圖11:單端信號到LVDS的接口電路。

在圖4所示的LVDS到PECL的接口電路里,PECL接收器沒有內部上拉電阻。該電路中的電阻值僅適用于Pericom公司的LVDS驅動器。由于采用交流耦合,這個接口只能通過交流信號,因此從驅動器傳輸到接收器的信號必須適合交流耦合。當電容C1與C2為時,任何信號狀態轉換(由高至低或由低至高)之間的最大時間間隔為500ns。

2. LVDS到LVPECL

圖12:5V單端信號到LVDS的接口電路。

在圖6所示的LVDS到LVPECL的接口電路里,電阻值也僅適用于Pericom公司的LVDS驅動器,這里的LVPECL接收器沒有內部上拉電阻。

圖7中,二極管D1、D2、D3和D4在Va與Vb之間產生的電壓差,且其擺幅衰減低于圖6電路中的擺幅衰減。這個電路應采用正向壓降為的高速二極管,芯片型二極管最好。電路中的電阻值適用于Pericom公司的LVDS驅動器,LVPECL接收器沒有上拉電阻。

3. CML到LVDS

表1:LVDS、PECL、LVPECL、
CML和RS-422接口的電壓規范。

圖8接口電路采用交流耦合,只能通過交流信號,因此從驅動器傳輸到接收器的信號必須適合交流耦合。當電容C1與C2為時,任何信號狀態轉換(由高至低或由低至高)之間的最大時間間隔為500ns。

圖9電路中的電阻值適用于Pericom公司的LVDS驅動器,CML接收器帶有50Ω的內部上拉電阻。由于采用交流耦合,故它僅能通過交流信號,因此從驅動器傳輸至接收器的信號必須適合交流耦合。當電容C1與C2值為時,任何信號狀態轉換(由高至低或由低至高)之間的最大時間間隔為500ns。

4. 單端信號到LVDS

當單端CMOS驅動器與Pericom公司的LVDS接收器連接時,可采用圖11中的電路以及表3中的參數,同時使由R_out和R_termination構成的輸出阻抗與50 Ω的走線阻抗相匹配,即:

表2:R1、R2和R3的參考值。

R_out+R_termination＝Z＝50Ω

例如,如果驅動器的輸出阻抗為20Ω,則應該采用30Ω的R_termination,于是有:

20Ω+30Ω＝50Ω

在圖12中,根據Vb上的信號質量,R_termination的阻值介于0-22Ω之間。如果Vb上有過沖和下沖,則增加R_termination的阻值；如果Vb上的信號邊沿有衰減,則減小R_termination的阻值。

表3:適合Pericom公
司接收器的R1、R2和Va值。

本文小結

本文提供了幾個典型的參考電路,可以很方便地將不同接口標準與Pericom公司的LVDS器件進行連接。由于各廠商提供的驅動器不同,所以本文提供的所有電路需要由設計者在實際應用前進行驗證。Pericom公司提供多種LVDS驅動器、接收器及差分時鐘分配器件,并將對采用Pericom產品的接口設計提供支持。

作者:Scott Wu

Pericom半導體公司