SN65LVDS1、SN65LVDS2和SN65LVDT2：高速差分线路驱动器与接收器的深度剖析

在电子设计领域，高速数据传输一直是一个关键的话题。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的SN65LVDS1、SN65LVDS2和SN65LVDT2这三款高速差分线路驱动器与接收器，看看它们在实际应用中能为我们带来怎样的优势。

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一、产品概述

SN65LVDS1、SN65LVDS2和SN65LVDT2是单通道、低电压、差分线路驱动器和接收器，采用小外形晶体管封装。它们的输出符合TIA/EIA - 644标准，在高达630 Mbps的驱动速率和400 Mbps的接收速率下，能为100 - Ω负载提供最小247 mV的差分输出电压幅度。

产品特性

1. 符合标准：满足或超过ANSI TIA/EIA - 644标准。
2. 高速率信号传输：驱动器最高可达630 Mbps，接收器最高可达400 Mbps。
3. 宽电源电压范围：可在2.4 - 3.6 V的电源下工作。
4. 高ESD耐受性：总线终端ESD超过9 kV。
5. 低电压差分信号：典型输出电压为350 mV（100 - Ω负载）。
6. 低传播延迟：驱动器典型为1.7 ns，接收器典型为2.5 ns。
7. 低功耗：200 MHz时，驱动器典型功耗25 mW，接收器典型功耗60 mW。
8. 其他特性：LVDT接收器包含线路终端；LVTTL电平驱动器输入具有5V容限；当(V_{CC}<1.5 V)时，驱动器输出为高阻抗，接收器输入和输出也为高阻抗；接收器具有开路故障保护功能；差分输入电压阈值小于100 mV。

应用领域

这些器件适用于多种领域，如无线基础设施、电信基础设施和打印机等。

二、详细特性分析

（一）SN65LVDS1特性

1. 驱动输出电压和上电复位：在2.6 - 3.6 V的电源电压范围内，驱动器能满足所有指定性能要求。当电源电压低于1.5 V时，上电复位电路会将驱动器输出设置为高阻抗状态。
2. 驱动偏移：该驱动器能将共模输出电压保持在1.2 V（±75 mV），通过感应电路和控制回路来提供共模电流，确保输出信号在指定值范围内。
3. 5V输入容限：尽管其最大电源电压为3.6 V，但输入信号高达5 V时仍能正常工作，可与3.3 - V和5 - V的TTL逻辑兼容。
4. NC引脚：未连接的NC引脚，为了实现最佳热性能，建议在电路板层面将其接地。
5. 驱动等效原理图：输入由一个带有7 - V齐纳二极管的CMOS反相器表示，具有高阻抗和内部下拉到地的功能。输出级是一个差分对，包含用于ESD保护的齐纳二极管。

（二）SN65LVDS2和SN65LVDT2特性

1. 接收器开路故障保护：当输入开路时，接收器会通过300 - kΩ电阻将信号线拉到(V_{CC})，并使用与门检测这种情况，将输出强制为高电平。
2. 接收器输出电压和上电复位：接收器的高电平输出与电源电压有关，当电源电压高于3 V时，最小输出电压为2.4 V；在2.6 - 3.0 V范围内，最小输出电压为1.9 V。当电源电压低于1.5 V时，上电复位电路会将接收器的输入和输出引脚设置为高阻抗状态。
3. 共模范围与电源电压：接收器的有效输入共模范围与电源电压有关，所有电源电压下，有效输入信号范围是从地到电源轨以下0.8 V。
4. 通用比较器：只要输入信号在所需的差分和共模电压范围内，接收器输出就能准确反映输入信号。
5. 接收器等效原理图：输入是一个高阻抗差分对，SN65LVDT2在输入端口包含一个110 - Ω的内部终端电阻。输出结构是一个带有齐纳二极管的CMOS反相器，用于ESD保护。
6. NC引脚：同样，为了最佳热性能，建议将NC引脚在电路板层面接地。

三、应用与实现

（一）点对点通信

这是LVDS缓冲器最基本的应用场景，由一个发射器（驱动器）和一个接收器组成。驱动器将单端输入信号转换为差分信号，通过100 - Ω特性阻抗的平衡互连介质进行传输，接收器再将差分信号恢复为单端信号。

设计要求

设计参数	示例值
驱动器电源电压（(V_{CCD})）	2.4 - 3.6 V
驱动器输入电压	0.8 - 5.0 V
驱动器信号速率	DC - 400 Mbps
互连特性阻抗	100 Ω
终端电阻	100 Ω
接收器节点数量	1
接收器电源电压（(V_{CCR})）	2.4 - 3.6 V
接收器输入电压	0 - (V_{CCR}) - 0.8 V
接收器信号速率	DC - 400 Mbps
驱动器和接收器之间的接地偏移	±1 V

详细设计步骤

1. 驱动器电源电压：驱动器可在2.4 - 3.6 V的电源下工作，输出电压与所选电源电压有关。在2.4 - 3 V的电源范围内，最小输出电压可能低至200 mV，设计时需考虑通道噪声裕量。
2. 驱动器旁路电容：旁路电容在电源分配电路中起着关键作用，可在高频时提供低阻抗路径。建议使用多层陶瓷芯片或表面贴装电容（如0603或0805尺寸），以减少引线电感。
3. 驱动器输入电压：驱动器输入可支持高达5 V的信号，决策阈值约为1.4 V。对于5 - V TTL和CMOS输入信号，可能会导致一定的占空比失真，设计时需考虑。
4. 驱动器输出电压：驱动器输出的共模电压为1.2 V，典型差分输出信号为350 mV。当电源电压在2.4 - 3 V之间时，最小差分输出电压为200 mV，会降低噪声裕量。
5. 互连介质：驱动器和接收器之间的物理通信通道可以是满足LVDS标准的任何平衡配对金属导体，如双绞线、同轴电缆、扁平带状电缆或PCB走线。互连的标称特性阻抗应在100 - 120 Ω之间，变化不超过10%。
6. PCB传输线：PCB中常用的传输线结构有微带线和带状线。微带线是顶层或底层的信号走线，带状线是内层的信号走线。设计时需注意保持走线宽度和间距均匀，以及两条线之间的对称性，以保持恒定的差分阻抗。
7. 终端电阻：为确保信号在最高信号速率下正常传输，终端电阻应与传输线的特性阻抗匹配，通常为90 - 110 Ω。SN65LVDT2集成了终端负载，可简化设计。
8. 驱动器NC引脚：为了最佳热性能，建议将NC引脚在电路板层面接地。
9. 接收器电源电压：接收器可在2.4 - 3.6 V的电源下工作，低电源电压会影响接收器的输入共模范围和输出电压。
10. 接收器旁路电容：与驱动器旁路电容的建议相同。
11. 接收器输入共模范围：接收器的输入共模范围与电源电压有关，电源电压为3.3 V时，输入共模电压可在GND - 2.5 V之间。
12. 接收器输入信号：LVDS接收器符合LVDS标准，当差分输入电压大于100 mV时输出高电平，小于 - 100 mV时输出低电平，可处理高达600 mV的差分输入电压。
13. 接收器输出信号：当电源电压在3 - 3.6 V范围内时，接收器输出符合LVTTL输出电压标准；在2.4 - 3 V范围内，高输出电压可能低至1.9 V，设计时需注意。
14. 接收器NC引脚：同样，为了最佳热性能，建议将NC引脚在电路板层面接地。

（二）多点通信

在多点配置中，有一个驱动器和一个共享总线，以及两个或更多的接收器（最多32个）。

设计要求

与点对点通信的设计要求基本相同，只是接收器节点数量为2 - 32个。

详细设计步骤

1. 互连介质：多点系统的互连与点对点系统有很大不同。发射器通常位于总线一端，需要在远端进行终端匹配。每个分支节点会产生短截线，会局部改变总线的负载阻抗，可能导致信号反射。如果负载数量恒定且分布均匀，可以通过调整终端电阻来减少反射。
2. 应用曲线：可参考典型的驱动器输出眼图来评估信号质量。

四、电源供应建议

这些LVDS驱动器和接收器设计为使用单电源，电源电压范围为2.4 - 3.6 V。在实际应用中，驱动器和接收器可能位于不同的电路板或设备上，需要使用单独的电源。驱动器和接收器电源之间的接地电位差应小于|±1 V|。同时，建议在电路板和设备层面使用旁路电容。

五、布局指南

（一）微带线与带状线拓扑

印刷电路板通常提供微带线和带状线两种传输线选项。微带线是PCB外层的走线，带状线是两层接地平面之间的走线。TI建议在可能的情况下，将LVDS信号路由在微带线上，因为它可以根据整体噪声预算和反射允许范围指定必要的阻抗公差。

（二）电介质类型和电路板结构

对于LVDS信号，FR - 4或等效材料通常能提供足够的性能。如果TTL/CMOS信号的上升或下降时间小于500 ps，建议使用介电常数接近3.4的材料，如Rogers™4350或Nelco N4000 - 13。电路板的铜重量、镀层厚度、阻焊层等参数也会影响性能。

（三）推荐的堆叠布局

为了减少TTL/CMOS和LVDS之间的串扰，建议至少使用两个单独的信号层。常见的堆叠配置有四层板和六层板，六层板能更好地隔离信号层和电源层，提高信号完整性，但制造成本较高。

（四）走线间距

LVDS差分对的走线应紧密耦合，以实现电磁场抵消，减少噪声耦合。相邻单端走线和差分对之间应保持足够的间距，可采用3 - W规则，即相邻走线之间的距离应大于单根走线宽度的两倍，或从走线中心到中心的距离为三倍。同时，应避免使用自动布线器，因为它可能无法考虑所有影响串扰和信号反射的因素。

（五）串扰和接地反弹最小化

为了减少串扰，应提供尽可能靠近原始走线的高频电流返回路径，通常使用接地平面来实现。保持走线短且下方有不间断的接地平面，可以减少电磁辐射。避免接地平面的不连续性，以降低返回路径电感。

（六）去耦

高速设备的每个电源或接地引脚应通过低电感路径连接到PCB。建议使用一个或多个过孔将电源或接地引脚连接到附近的平面，过孔应紧邻引脚放置。旁路电容应靠近(V_{DD})引脚放置，可使用小尺寸的电容（如0402或0201）来减少电容的本体电感。

六、总结

SN65LVDS1、SN65LVDS2和SN65LVDT2是性能出色的高速差分线路驱动器和接收器，具有高速率、低功耗、高ESD耐受性等优点。在实际应用中，我们需要根据具体的设计要求，合理选择电源、旁路电容、互连介质和终端电阻等，同时注意电路板的布局和布线，以确保信号的可靠传输。希望本文能为电子工程师在设计中提供一些有用的参考。你在使用这些器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。