ИС передатчика и приемника последовательных данных стандарта LVDS

Стандарт LVDS позволяет выпускать разнообразные решения дифференциального интерфейса, способного поддерживать скорость передачи до 1 Гбит/с на расстояния до 10 м. LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений (типовое значение 350 мВ) по двум линиям печатной платы или сбалансированному кабелю. В сравнении с обычными однопроводными системами дифференциальный метод благодаря ослаблению синфазного сигнала обеспечивает лучшую помехоустойчивость и, соответственно, работу при меньших значениях напряжения, меньшую потребляемую мощность, меньшую чувствительность к электромагнитным помехам и большую скорость передачи.

LVDS-интерфейсы описываются стандартами: TIA/EIA-644, TIA/EIA-644A
и TIA/EIA-899. TIA-644 — общий стандарт. Он описывает электрическую часть интерфейса — выходные и входные параметры приемопередающих устройств. Стандарт определяет рекомендуемую максимальную скорость передачи — 655 Мбит/c (при определенных граничных условиях) и теоретическую скорость — 1923 Мбит/c при использовании линии с нулевыми потерями. Максимальная скорость передачи определяется в зависимости от требуемого качества сигнала на приемном конце и типа и длины используемой среды передачи. При этом потребляемая мощность значительно меньше, чем требуют интерфейсы предыдущих поколений (стандартов RS-422, RS-485).

LVDS-интерфейсы заменяют PECL-устройства, характеризующиеся высоким быстродействием, но и большими энергозатратами и шумами, в ASIC и АЦП для телекоммуникационных систем. При этом многие LVDS-приборы совместимы по разводке выводов с существующими компонентами интерфейсов стандартов RS-422, PECL и LVPECL. Устойчивый спрос на этот вид изделий обусловлен их технико-экономическими параметрами. В первую очередь — низким потреблением мощности (при работе микросхемы с частотой 200 МГц рассеиваемая мощность составляет всего 25 мВт на канал), высокой скоростью передачи информации в линию с длиной до 5 м, что найдет широкое применение в быстродействующих системах для передачи информации между платами.

В ОАО «Интеграл» разработаны и освоены цифро-аналоговые ИС двойного назначения счетверенного линейного передатчика 5560ИН1Т и счетверенного линейного приемника 5560ИН2Т последовательных данных стандарта LVDS. Аналогом микросхемы передатчика является SN55LVDS31W, приемника — SN55LVDS32W компании Texas Instruments. На территории СНГ микросхемы для работы со сверхскоростным дифференциальным интерфейсом LVDS ранее не производились.

ИС приемника 5560ИН2Т и передатчика 5560ИН1Т работоспособны в диапазонах напряжений питания 3…3,6 В и температуры –60…125°C. Входы, выходы микросхем 5560ИН1Т, 5560ИН2Т устойчивы к воздействию статического электричества на уровне не менее 2000 В. Элементы защиты от статического электричества входов, выходов приведены на рисунке 1. По электрическим параметрам, предельным и предельно-допустимым режимам эксплуатации микросхемы полностью соответствуют зарубежным аналогам, а по диапазону температур и уровню устойчивости к специальным внешним воздействиям превосходят их.

Рис. 1. Схемы защиты портов микросхем от статического электричества для: а) входов данных передатчика; б) разрешающих входов передатчика и приемника; в) входов данных приемника; в) выходов передатчика и приемника

Входы данных и управления микросхем передатчика, приемника, а в третьем состоянии выходы микросхемы передатчика допускают режим превышения напряжения питания. Электрическая схема защиты от статического электричества разработана на основе закрытого биполярного
n-p-n-транзистора с типовым пробивным напряжением около 7 В.

Блок-схема счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом приведена на рисунке 2, назначение выводов ИС передатчика описано в таблице 1.

Рис. 2. Блок-схема счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом

На входы A передатчика приходят сигналы с уровнями КМОП/ТТЛ. В цифровой части схемы происходит расщепление сигнала на прямой и инверсный. В аналоговой части схемы между прямым Y и инверсным Z выходами передатчика формируются дифференциальные сигналы, соответствующие уровням стандарта LVDS. В таблице 2 приведены основные параметры передатчика.

Таблица 1. Назначение выводов ИС счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом

Номер вывода	Наименование вывода	Обозначение
01	Вход 1-го передатчика	1A
02	Прямой выход 1-го передатчика	1Y
03	Инверсный выход 1-го передатчика	1Z
04	Вход управления	G
05	Инверсный выход 2-го передатчика	2Z
06	Прямой выход 2-го передатчика	2Y
07	Вход 2-го передатчика	2A
08	Общий вывод	GND
09	Вход 3-го передатчика	3A
10	Прямой выход 3-го передатчика	3Y
11	Инверсный выход 3-го передатчика	3Z
12	Инверсный вход управления	G
13	Инверсный выход 4-го передатчика	4Z
14	Прямой выход 4-го передатчика	4Y
15	Вход 4-го передатчика	4A
16	Вывод питания от источника напряжения	Ucc

Таблица 2. Значения параметров и режимы работы счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом (Та = –60…125°С, Ucc = 3,0…3,6 В)

Параметр, единица измерения	Обозначение	Условия измерения	Норма
			Мин.	Макс.
Дифференциальное выходное напряжение передатчика, мВ	|UOD|	RL = 100 Ом	247	454
Разность выходных дифференциальных напряжений, мВ	Δ|UOD|	RL = 100 Ом	–50	50
Выходное напряжение смещения передатчика относительно общего вывода, В	UOC	RL = 100 Ом	1,125	1,375
Разность выходных напряжений смещений передатчика относительно общего вывода, мВ	ΔUOC	RL = 100 Ом	–50	50
Размах выходного напряжения смещения относительно общего вывода при переключении, мВ	UOC(PP)	RL = 100 Ом, CL = 10 пФ		150
Статический ток потребления, мА	Icc	UI = 0,8 В или 2 В, без нагрузки, активный режим	–	20
		UI = 0,8 В или 2 В, RL = 100 Ом, активный режим	–	35
		UI = 0 В или Ucc В, выход в третьем состоянии	–	1
Входной ток высокого уровня, мкА	IIH	UIH = 2 В	–	20
Входной ток низкого уровня, мкА	IIL	UIL = 0,8 В	–	10
Выходной ток короткого замыкания, мА	IOS	UO(Y) = 0 В или UO(Z) = 0 В	–	–24
		UOD = 0 В	–12	12
Выходной ток третьего состояния передатчика, мкА	IOZ	UO = 0 В или 2,4 В	–1	1
Выходной ток при выключенном питании, мкА	IO(off)	Ucc = 0 В, UO = 2,4 В	–4	4
Время задержки распространения сигнала при выключении, нс	tPLH	CL = 10 пФ, RL = 100 Ом	0,5	4
Время задержки распространения сигнала при включении, нс	tPHL		1	4,5
Длительность фронтов нарастания и спада дифференциального выходного сигнала, нс	tR, tF		–	1
Разность задержек распространения сигналов передатчика |tPLH – tPHL|, нс	tSK(D)		–	0,6
Разность задержек распространения сигналов между каналами	tSK(O)		–	0,6
Время переключения из состояния «выключено» в высокий уровень, нс	tPZH	RL = 100 Ом, CL = 10 пФ	–	15
Время переключения из состояния «выключено» в низкий уровень, нс	tPZL		–	15
Время переключения с высокого уровня в состояние «выключено», нс	tPHZ		–	17
Время переключения с низкого уровня в состояние «выключено», нс	tPLZ		–	15

Блок-схема счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом приведена на рисунке 3, назначение выводов ИС приемника описано в таблице 3. На прямой A и инверсный B входы приемника приходят дифференциальные сигналы стандарта LVDS. В аналоговой части схемы на основе двухкаскадного дифференциального усилителя происходит детектирование сигнала и его преобразование в униполярный. На выходе приемника Y формируется сигнал с уровнями напряжения, совместимыми с уровнями КМОП/ТТЛ. На рисунке 4 представлена схема дифференциальных входов данных приемника с элементом защиты. В таблицах 4, 5 приведены основные параметры приемника. В таблице 6 показаны входные тестируемые пороговые напряжения приемника.

	Рис. 3. Блок-схема счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом
	Рис. 4. Схема дифференциальных входов данных приемника с элементом защиты

Схема сопряжения передатчика и приемника для систем связи типа «точка-точка» показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема сопряжения «точка-точка» передатчика и приемника стандарта LVDS

 В линии между прямым и инверсным входами приемника в непосредственной близости к приемнику (насколько это возможно) подключается согласующий терминальный резистор величиной 100 Ом. При типовом выходном токе передатчика, равном 3,5 мА, в линии формируется дифференциальное напряжение около 350 мВ, которое детектируется приемником, при этом, в виду высокого сопротивления приемника, его влияние на согласующий резистор не принимается во внимание. В случае изменения направления тока в линии в режиме переключения изменяется полярность напряжения на нагрузочном резисторе, что позволяет различать состояния логического нуля и логической единицы.

Микросхемы последовательных данных стандарта LVDS 5560ИН1Т, 5560ИН2Т предназначены для работы в конфигурации «точка-точка». Стандарт LVDS предусматривает также возможность многоточечной конфигурации, при этом данные передаются однонаправленно. Существует расширение стандарта Bus LVDS, позволяющее осуществить полудуплексную передачу данных в многоточечной конфигурации.

В микросхемах предусмотрена возможность переключения в режим с пониженным энергопотреблением, когда на вход управления G (вывод 4) подается уровень логического нуля, а на инверсный вход управления G (вывод 12) — уровень логической единицы (соответствует режиму третьего состояния).

Устойчивую работу микросхемы счетверенного линейного приемника в случае отсутствия сигналов на входах А, В обеспечивает блок переключения выхода в состояние логической единицы (блок Fail-Safe). На входах приемников сигнал может отсутствовать, если выход передатчика находится в высокоимпедансном третьем состоянии или линия разомкнута.

Типовая скорость передачи данных 400 Мбит/с. Микросхемы изготавливаются в 16-выводных металлокерамических корпусах типа 402.16 — 32.01.

В процессе проектировании быстродействующих систем обмена информацией на основе микросхем 5560ИН1Т, 5560ИН2Т разработчики должны использовать печатные платы не менее чем с четырьмя уровнями металлизации: первый уровень предназначен для сигналов LVDS, второй — для плоскости общей шины, третий — для плоскости шины питания и четвертый — для сигналов КМОП/ТТЛ. Данный подход позволяет минимизировать влияние перекрестных помех между сигналами с уровнями КМОП/ТТЛ и LVDS с резкими (< 1,0 нc) фронтами нарастания и спада. Экранирующие плоскости общей шины и шины питания выполняют также функцию дополнительной высокочастотной развязывающей емкости, эффективность которой будет выше, если плоскости будут располагаться на минимальном расстоянии.

На рисунках 6 и 7 приведены схемы подключения внешних элементов к микросхемам счетверенного передатчика и счетверенного приемника. Между выводами земли и питания подключаются высокочастотные конденсаторы для поверхностного монтажа емкостями 0,1 и 0,001 мкФ, материал конденсаторов — керамика, слюда или полистирол. Рекомендуется устанавливать конденсаторы как можно ближе к выводу питания для уменьшения паразитных эффектов и улучшения частотной характеристики, на расстоянии не более 6 мм.

	Рис. 6. Типовая схема подключения внешних элементов к микросхеме счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом
	Рис. 7. Типовая схема подключения внешних элементов к микросхеме счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом