選擇正確的線驅(qū)動器/接收器來提高信號完整性

　　大多數(shù)電子系統(tǒng)的核心是一個用于處理數(shù)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(tǒng)決策的第一步。
 
　　緊隨處理器選擇之后的是選擇正確的驅(qū)動器與接收器。本文著重介紹選擇這些器件時的考慮因素。
 
要求規(guī)范
 
　　在選擇一種處理器時，人們常常關(guān)心的是時鐘速度、存儲器及MIPS。但對于驅(qū)動器與接收器來說，還必須規(guī)定拓?fù)?、信號傳輸速率與距離、以及功耗與互換性。
 
　　拓?fù)涫侵富ミB的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。大多數(shù)基本拓?fù)涠际前ㄒ粋€驅(qū)動器與一個接收器的點(diǎn)對點(diǎn)（單工）拓?fù)?。由于?qū)動器與接收器之間的路徑不復(fù)雜，因此單工可提供最高的信號質(zhì)量。設(shè)計者常常用帶單工接口的時鐘分配樹來提高信號完整性。當(dāng)接口速率高于數(shù)百M(fèi)bps時，單工架構(gòu)也是一種較好的選擇。RS-232及 LVDS (TIA/EIA-644) 即為單工標(biāo)準(zhǔn)。
 
　　多路及多點(diǎn)為復(fù)雜程度更高的驅(qū)動器/接收器拓?fù)?。多路是指一個驅(qū)動器與多個接收器通信。超過一個接收器時需采用主總線分出的抽頭。這些抽頭會產(chǎn)生不連續(xù)，從而使信號質(zhì)量下降。LVDS (TIA/EIA-644-A) 最近經(jīng)過改進(jìn)后可支持多路工作。
 
　　多點(diǎn)架構(gòu)擁有多個與一個（或多個）接收器相連的驅(qū)動器。當(dāng)總線上有多個節(jié)點(diǎn)需要成為活動發(fā)射器時，即選擇多點(diǎn)架構(gòu)。工控應(yīng)用可能擁有互連的多個電機(jī)、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(biāo)準(zhǔn)。
 
　　規(guī)定拓?fù)浜螅幢仨氁?guī)定信號傳輸速度。時鐘信號以MHz表示，而數(shù)據(jù)傳輸則以Mbps表示。乘以2即可將以MHz表示的時鐘速度轉(zhuǎn)換成以Mbps表示的數(shù)據(jù)傳輸速率。
 
　　傳輸距離是另一項重要參數(shù)。很多驅(qū)動器與接收器都專門針對短距離應(yīng)用而設(shè)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倒數(shù)關(guān)系。對于大多數(shù)器件來說，信號傳輸速率會隨距離增加而減小。這種倒數(shù)關(guān)系是由于存在符號間干擾 (ISI)。電纜及其腐蝕會濾掉從驅(qū)動器出來的信號的陡峭邊緣，從而導(dǎo)致在線的另一端引起干擾的單獨(dú)位脈沖。這種ISI可量化為抖動。抖動幅度隨距離增加而增加。假設(shè)可接受抖動的幅度恒定（以位周期的百分比表示），則很容易了解這種倒數(shù)關(guān)系。
 
　　其他需考慮的參數(shù)包括功耗與互換性。需要規(guī)定器件在加載條件下所消耗的電流。當(dāng)有替代解決方案時，通常選擇功耗較低的解決方案?；Q性是指標(biāo)準(zhǔn)器件以及公共占板面積或引腳。標(biāo)準(zhǔn)器件通常優(yōu)于專用解決方案。標(biāo)準(zhǔn)接口允許設(shè)計不同的子系統(tǒng)，并能進(jìn)行平滑集成。標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動器與接收器的選擇相當(dāng)困難。但幸運(yùn)的是，可迅速縮小可行解決方案的范圍。首先采用拓?fù)?，必須了解，單工、多路及多點(diǎn)器件代表著更高的可用性，故可在單工或多路應(yīng)用中使用多路器件。反之未必正確，雖然也可用多點(diǎn)器件來解決單工、多路及多點(diǎn)問題，但此時須考慮最大信號傳輸速率。試圖實現(xiàn)一種Gbps的多路系統(tǒng)將很可能失敗。多路與多點(diǎn)設(shè)計通常會限制在數(shù)百M(fèi)bps數(shù)據(jù)速率上。
 
　　在多種替代器件間進(jìn)行選擇時，必須同時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。從左下角開始，通用、單端邏輯（BTL、GTL及GTLP）可以高達(dá)50 Mbps的速率提供小于1米的覆蓋距離。當(dāng)傳輸距離較長時，則需要使用更為穩(wěn)健的驅(qū)動器。對于速率小于100 Kbps及距離長達(dá)20米的數(shù)據(jù)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(dāng)設(shè)計要求傳輸距離大于1米及傳輸速率高于100 Kbps時，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(qū)動器斜率。差分信號具有內(nèi)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(dá)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(shù)Gbps速率上工作。LVDS采用小差分信號，這種信號允許進(jìn)行更快的開關(guān)，但將傳輸距離限制在數(shù)十米以內(nèi)。LVDS的變體——M-LVDS，可提供高達(dá)500 Mbps的數(shù)據(jù)速率，并將LVDS的適用范圍擴(kuò)展至多點(diǎn)及重負(fù)載背板。
 
　　隨著傳輸速率超過2 Gbps，可用解決方案包括PECL及CML器件。這些器件繼續(xù)確立了高速信號傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，但要求有更高的負(fù)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(yuǎn)的器件來解決低速率及短距離問題?？蓪VDS解決方案用于在背板4英寸范圍內(nèi)分配1 MHz的時鐘——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題的首選方案。在考慮器件信號傳輸速率時，重要的是須注意，最大信號傳輸速率可能需要根據(jù)最小可接受參數(shù)質(zhì)量（如輸出電壓、過渡時間及抖動等）來確定。標(biāo)準(zhǔn)雖未給出這些參數(shù)間的關(guān)系，但可運(yùn)用經(jīng)驗。為保證最佳工作，當(dāng)用隨機(jī)數(shù)來測試時，過渡時間應(yīng)限制為小于位時間的50(，器件抖動則應(yīng)限制為位時間的10-20(。這些經(jīng)驗有助于在系統(tǒng)級保證有充分的信號電壓與時序余量。圖2為遵循這些建議的SN65LVDS100 （2 Gbps LVDS轉(zhuǎn)發(fā)器）器件眼圖，其中輸入為2 Gbps隨機(jī)數(shù)，輸出抖動為55 ps（源抖動為25 ps），而過渡時間則為160 ps。
 
　　驅(qū)動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，在一個要求以10 Mbps速度及10米距離進(jìn)行多點(diǎn)傳輸?shù)脑O(shè)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(biāo)準(zhǔn)并滿足指標(biāo)要求。在使用SN65HVD20時，所需功率為使用SN65MLVD201時功率的四倍。SN65HVD20中的額外功率用來產(chǎn)生一個電壓更高的信號。盡管這種應(yīng)用可能不需要這么大的功率，但當(dāng)傳輸距離超過10米時會很有用。事實上，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(jié)語
 
　　選擇最佳驅(qū)動器與接收器是一項關(guān)鍵決策。通過明確地確定系統(tǒng)要求，設(shè)計者可在各種選擇之間進(jìn)行挑選。而像通道數(shù)、電源電壓及ESD保護(hù)等其他規(guī)范，則使設(shè)計者能獲得一組足以解決問題的器件。