選擇正確的線(xiàn)驅動(dòng)器/接收器來(lái)提高信號完整性

　　大多數電子系統的核心是一個(gè)用于處理數字輸入以產(chǎn)生增值輸出的處理器。選擇合適的處理解決方案常常是系統決策的第一步。
 
　　緊隨處理器選擇之后的是選擇正確的驅動(dòng)器與接收器。本文著(zhù)重介紹選擇這些器件時(shí)的考慮因素。
 
要求規范
 
　　在選擇一種處理器時(shí)，人們常常關(guān)心的是時(shí)鐘速度、存儲器及MIPS。但對于驅動(dòng)器與接收器來(lái)說(shuō)，還必須規定拓撲、信號傳輸速率與距離、以及功耗與互換性。
 
　　拓撲是指互連的節點(diǎn)數量。大多數基本拓撲都是包括一個(gè)驅動(dòng)器與一個(gè)接收器的點(diǎn)對點(diǎn)（單工）拓撲。由于驅動(dòng)器與接收器之間的路徑不復雜，因此單工可提供最高的信號質(zhì)量。設計者常常用帶單工接口的時(shí)鐘分配樹(shù)來(lái)提高信號完整性。當接口速率高于數百Mbps時(shí)，單工架構也是一種較好的選擇。RS-232及 LVDS (TIA/EIA-644) 即為單工標準。
 
　　多路及多點(diǎn)為復雜程度更高的驅動(dòng)器/接收器拓撲。多路是指一個(gè)驅動(dòng)器與多個(gè)接收器通信。超過(guò)一個(gè)接收器時(shí)需采用主總線(xiàn)分出的抽頭。這些抽頭會(huì )產(chǎn)生不連續，從而使信號質(zhì)量下降。LVDS (TIA/EIA-644-A) 最近經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可支持多路工作。
 
　　多點(diǎn)架構擁有多個(gè)與一個(gè)（或多個(gè)）接收器相連的驅動(dòng)器。當總線(xiàn)上有多個(gè)節點(diǎn)需要成為活動(dòng)發(fā)射器時(shí)，即選擇多點(diǎn)架構。工控應用可能擁有互連的多個(gè)電機、傳感器與處理器，需要共享速度、位置及溫度信息以便處理器發(fā)出正確的扭矩與位置命令。RS-485及M-LVDS即為兩項多點(diǎn)工業(yè)標準。
 
　　規定拓撲后，即必須規定信號傳輸速度。時(shí)鐘信號以MHz表示，而數據傳輸則以Mbps表示。乘以2即可將以MHz表示的時(shí)鐘速度轉換成以Mbps表示的數據傳輸速率。
 
　　傳輸距離是另一項重要參數。很多驅動(dòng)器與接收器都專(zhuān)門(mén)針對短距離應用而設計。這些限制源自于所采用的信號傳輸（單端比差分）、電壓電平與接收器的共模電壓范圍。
 
　　信號傳輸速率與傳輸距離之間存在著(zhù)倒數關(guān)系。對于大多數器件來(lái)說(shuō)，信號傳輸速率會(huì )隨距離增加而減小。這種倒數關(guān)系是由于存在符號間干擾 (ISI)。電纜及其腐蝕會(huì )濾掉從驅動(dòng)器出來(lái)的信號的陡峭邊緣，從而導致在線(xiàn)的另一端引起干擾的單獨位脈沖。這種ISI可量化為抖動(dòng)。抖動(dòng)幅度隨距離增加而增加。假設可接受抖動(dòng)的幅度恒定（以位周期的百分比表示），則很容易了解這種倒數關(guān)系。
 
　　其他需考慮的參數包括功耗與互換性。需要規定器件在加載條件下所消耗的電流。當有替代解決方案時(shí)，通常選擇功耗較低的解決方案?；Q性是指標準器件以及公共占板面積或引腳。標準器件通常優(yōu)于專(zhuān)用解決方案。標準接口允許設計不同的子系統，并能進(jìn)行平滑集成。標準器件與公共占板面積可確保原有器件與替代器件的互換性。
 
器件選擇
 
　　可用驅動(dòng)器與接收器的選擇相當困難。但幸運的是，可迅速縮小可行解決方案的范圍。首先采用拓撲，必須了解，單工、多路及多點(diǎn)器件代表著(zhù)更高的可用性，故可在單工或多路應用中使用多路器件。反之未必正確，雖然也可用多點(diǎn)器件來(lái)解決單工、多路及多點(diǎn)問(wèn)題，但此時(shí)須考慮最大信號傳輸速率。試圖實(shí)現一種Gbps的多路系統將很可能失敗。多路與多點(diǎn)設計通常會(huì )限制在數百Mbps數據速率上。
 
　　在多種替代器件間進(jìn)行選擇時(shí)，必須同時(shí)最佳地考慮信號傳輸速率與傳輸距離。圖1顯示不同器件的信號傳輸速率與傳輸距離。如圖1所示，信號傳輸速率隨距離增加而減小。從左下角開(kāi)始，通用、單端邏輯（BTL、GTL及GTLP）可以高達50 Mbps的速率提供小于1米的覆蓋距離。當傳輸距離較長(cháng)時(shí)，則需要使用更為穩健的驅動(dòng)器。對于速率小于100 Kbps及距離長(cháng)達20米的數據傳輸，可采用RS-232器件。RS-232器件為單端輸入并采用大電壓擺幅，因而可獲得更高的傳輸功率。
 
　　當設計要求傳輸距離大于1米及傳輸速率高于100 Kbps時(shí)，需采用差分信號。要想使單端信號速率大于100 Kbps，則需要有很陡的驅動(dòng)器斜率。差分信號具有內在的噪聲抑制（由于接收器共模噪聲抑制），因此允許有更小的電壓擺幅。RS-422（多路）及RS-485（多點(diǎn)）可以50 Mbps的速率工作，并能在更低的速率上達到大于1公里的傳輸距離。如果要求有更高的傳輸速率，可使LVDS器件在數Gbps速率上工作。LVDS采用小差分信號，這種信號允許進(jìn)行更快的開(kāi)關(guān)，但將傳輸距離限制在數十米以?xún)?。LVDS的變體——M-LVDS，可提供高達500 Mbps的數據速率，并將LVDS的適用范圍擴展至多點(diǎn)及重負載背板。
 
　　隨著(zhù)傳輸速率超過(guò)2 Gbps，可用解決方案包括PECL及CML器件。這些器件繼續確立了高速信號傳輸的標準，但要求有更高的負載電流。
 
　　最后請注意圖1中的幾點(diǎn)。首先，可使用速度較高及傳輸距離較遠的器件來(lái)解決低速率及短距離問(wèn)題?？蓪VDS解決方案用于在背板4英寸范圍內分配1 MHz的時(shí)鐘——正如RS-422或RS-485一樣。LVDS解決方案較低的電磁輻射常使其成為解決這種問(wèn)題的首選方案。在考慮器件信號傳輸速率時(shí)，重要的是須注意，最大信號傳輸速率可能需要根據最小可接受參數質(zhì)量（如輸出電壓、過(guò)渡時(shí)間及抖動(dòng)等）來(lái)確定。標準雖未給出這些參數間的關(guān)系，但可運用經(jīng)驗。為保證最佳工作，當用隨機數來(lái)測試時(shí)，過(guò)渡時(shí)間應限制為小于位時(shí)間的50(，器件抖動(dòng)則應限制為位時(shí)間的10-20(。這些經(jīng)驗有助于在系統級保證有充分的信號電壓與時(shí)序余量。圖2為遵循這些建議的SN65LVDS100 （2 Gbps LVDS轉發(fā)器）器件眼圖，其中輸入為2 Gbps隨機數，輸出抖動(dòng)為55 ps（源抖動(dòng)為25 ps），而過(guò)渡時(shí)間則為160 ps。
 
　　驅動(dòng)器功耗與信號電壓有關(guān)。RS-485擁有+/- 2V的擺幅，而M-LVDS則擁有+/- 0.6 V的擺幅。例如，在一個(gè)要求以10 Mbps速度及10米距離進(jìn)行多點(diǎn)傳輸的設計中，采用M-LVDS及 RS-485均可。對于單通道工作，較好的選擇是SN65MLVD201 及 SN65HVD20。這兩種器件可提供同樣的占板面積、遵循標準并滿(mǎn)足指標要求。在使用SN65HVD20時(shí)，所需功率為使用SN65MLVD201時(shí)功率的四倍。SN65HVD20中的額外功率用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)電壓更高的信號。盡管這種應用可能不需要這么大的功率，但當傳輸距離超過(guò)10米時(shí)會(huì )很有用。事實(shí)上，SN65HVD20允許以高于1 Mbps的速率進(jìn)行信號傳輸，且傳輸距離可增加至500米。
 
結語(yǔ)
 
　　選擇最佳驅動(dòng)器與接收器是一項關(guān)鍵決策。通過(guò)明確地確定系統要求，設計者可在各種選擇之間進(jìn)行挑選。而像通道數、電源電壓及ESD保護等其他規范，則使設計者能獲得一組足以解決問(wèn)題的器件。