M-LVDS接收器檢測能助力故障保護(hù)

設(shè)計(jì)人員早已知道在各種應(yīng)用中使用低壓差分信號（LVDS）的好處，如無線基站，投影電視，普通紙復(fù)印機(jī)和手持式消費(fèi)電子產(chǎn)品。 LVDS提供高速信號，低電磁輻射和極低的功耗。但是，TIA/EIA-644A標(biāo)準(zhǔn)沒有提供如何處理故障保護(hù)的指導(dǎo)。特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求通常要求在線路故障條件下或LVDS驅(qū)動器處于非活動狀態(tài)時(shí)確定性輸出。

各種供應(yīng)商提供各種故障安全方法和建議。一些方法依賴于增加的電路組件來提供在線路接收器外部沒有輸入的已知輸出。其他供應(yīng)商集成電路以建立內(nèi)部偏置，或檢測輸入損耗并強(qiáng)制固定輸出。雖然每種故障安全方法都有其優(yōu)點(diǎn)，但缺乏標(biāo)準(zhǔn)化會導(dǎo)致互換性問題。 M-LVDS接收器通過集成故障保護(hù)解決方案解決了這些缺點(diǎn)，該解決方案是TIA/EIA-899標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

M-LVDS接收器檢測包括開路，短路，線路斷開和殘疾司機(jī)。這種故障保護(hù)方法還提供了在整個(gè)接收器輸入范圍內(nèi)工作所需的好處，這是以前一些解決方案的常見缺點(diǎn)。

誰需要故障保護(hù)？

在合成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)失敗或非操作條件通常不是首要關(guān)注的問題。速度，功率，堅(jiān)固性和成本應(yīng)該是首要考慮因素。然而，設(shè)計(jì)師最終會開始考慮當(dāng)并非所有事情都像往常一樣運(yùn)作時(shí)會發(fā)生什么。 “當(dāng)電纜斷開時(shí)我的接收器會做什么？” （開路問題）; “當(dāng)我的公交線路短路時(shí)會發(fā)生什么？” （短路問題）; “當(dāng)驅(qū)動程序（或驅(qū)動程序）被禁用時(shí)，接收器輸出會發(fā)生什么？” （閑置問題）;和“什么會導(dǎo)致我的接收器輸出振蕩？” （振鈴問題）。這些是來自客戶的常見問題，希望在設(shè)計(jì)階段，但不幸的是，在評估階段經(jīng)常。每個(gè)問題都涉及線路接收器在正常數(shù)據(jù)傳輸故障時(shí)或系統(tǒng)故障時(shí)的響應(yīng)。故障安全規(guī)定對這些條件中的每一個(gè)都提供了確定性響應(yīng)，確保接收器輸出在正常操作“失敗”時(shí)進(jìn)入“安全”狀態(tài)。

異步系統(tǒng)對故障安全規(guī)定具有內(nèi)在需求。暫停通信通常通過將線路驅(qū)動到固定狀態(tài)來表示，其中下一個(gè)分組的開始由“開始”位或“開始”序列指示。接收設(shè)備使用預(yù)定義的轉(zhuǎn)換序列來檢測輸入數(shù)據(jù)，并在總線未激活時(shí)忽略數(shù)據(jù)電路。

源同步時(shí)鐘系統(tǒng)還需要集成到其網(wǎng)絡(luò)中的故障保護(hù)規(guī)定。例如，考慮一個(gè)總線通信系統(tǒng)，其中動態(tài)主機(jī)發(fā)送8位并行數(shù)據(jù)，同步時(shí)鐘信號鎖存在每個(gè)接收器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸其數(shù)據(jù)之后，在新主機(jī)獲得對介質(zhì)的訪問之前存在空閑時(shí)間，并開始通信。同步時(shí)鐘信號的狀態(tài)在此轉(zhuǎn)換期間至關(guān)重要，因?yàn)殄e(cuò)誤轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致向每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤地傳送字節(jié)。

需要故障保護(hù)規(guī)定的系統(tǒng)的最后一個(gè)示例是冗余的集中式時(shí)鐘分發(fā)系統(tǒng)。在這種情況下，可以集成兩個(gè)模塊以提供完全冗余的同步信號。指定主時(shí)鐘源，當(dāng)主時(shí)鐘不存在時(shí)備用信號可用。在故障條件下，例如驅(qū)動器故障或總線短路，每個(gè)時(shí)鐘接收器檢測到故障情況并轉(zhuǎn)換到備用電源至關(guān)重要。將故障保護(hù)機(jī)制納入每個(gè)接收器有助于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的故障檢測和響應(yīng)。

以前的解決方案

提供數(shù)據(jù)線故障保護(hù)的最常用方法是使用外部偏置組件，如圖1所示。

圖1：外部故障安全偏置網(wǎng)絡(luò)使用梯形電阻梯來避免接地故障。

選擇電阻R1，R2和R3匹配傳輸介質(zhì)的特征阻抗，同時(shí)還提供大于所用接收器閾值的總線偏置電壓。電阻R4用作線路匹配終端電阻，位于傳輸線的遠(yuǎn)端。選擇元件值時(shí)，與（R1 + R3）并聯(lián)的R2應(yīng)與傳輸介質(zhì)阻抗相等，而與R4并聯(lián)的R2則作為分壓器，R1和R3用于設(shè)置故障安全偏置電壓。該方法適用于每個(gè)獨(dú)特應(yīng)用程序可用的自定義。偏置電壓可以設(shè)置得足夠高以考慮系統(tǒng)中預(yù)期的差分噪聲，或者足夠低以利用所使用的接收器的已知靈敏度。

這種方法的缺點(diǎn)是必須在系統(tǒng)中包含額外的組件，并且必須使用額外的偏置功率來為故障安全網(wǎng)絡(luò)供電。在故障條件包括接收器與通信總線斷開的情況下，外部網(wǎng)絡(luò)不提供保護(hù)，因?yàn)榻邮掌鳜F(xiàn)在不能訪問偏置總線。因此，除非在每個(gè)接收器處包含其他附加保護(hù)裝置，否則它們將不會實(shí)現(xiàn)固定輸出。為了簡化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低功耗和成本，并提供更強(qiáng)大的故障保護(hù)機(jī)制，許多提供LVDS設(shè)備的供應(yīng)商都引入了集成故障保護(hù)接收器。最常見的方法是在VCC電源軌上安裝內(nèi)部上拉電阻，或在一個(gè)差分總線輸入引腳上連接一個(gè)上拉電阻，在互補(bǔ)引腳上安裝一個(gè)下拉電阻。在任何一種情況下，目標(biāo)都是在輸入信號丟失的情況下建立一個(gè)導(dǎo)致預(yù)定輸出的接收器條件。

這些集成方法中的一些也有利弊。作為使用窗口比較器實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特集成“主動”故障保護(hù)?？苫Q性是這些方法中的每一種的共同缺點(diǎn)。專有或定制設(shè)計(jì)通常會導(dǎo)致系統(tǒng)中來自多個(gè)供應(yīng)商的類似部件的行為與丟失的輸入不同。雖然設(shè)計(jì)人員可能想要使用被認(rèn)為可以從多個(gè)供應(yīng)商處獲得的設(shè)備，但由于特定故障保護(hù)機(jī)制的非標(biāo)準(zhǔn)行為，他可能會發(fā)現(xiàn)自己依賴于單個(gè)供應(yīng)商。

理想的特征故障保護(hù)機(jī)制

利用所有不同的故障保護(hù)方法，設(shè)計(jì)人員可能不確定哪種方法對于特定設(shè)計(jì)是最佳的。雖然可能有許多不錯(cuò)的選擇，但以下特征是首選方法的特征。優(yōu)選的故障保護(hù)機(jī)制應(yīng)在接收器的完整共模輸入范圍內(nèi)提供開路，短路和空閑線路檢測和保護(hù)。在有限的操作條件下提供保護(hù)限制了解決方案的穩(wěn)健性。優(yōu)選的方法應(yīng)該集成，不需要額外的偏置組件或電源，同時(shí)還在每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供故障保護(hù)，即使在節(jié)點(diǎn)是從網(wǎng)絡(luò)中刪除。最后，也可能最重要的是，應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化故障安全機(jī)制，在使用來自不同供應(yīng)商的組件時(shí)，可以保持一致的性能和可互換性。

M-LVDS接收器

M-LVDS標(biāo)準(zhǔn)（TIA/EIA-899）是一種通用多點(diǎn)規(guī)范，可將LVDS的優(yōu)勢擴(kuò)展到多驅(qū)動器設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)確定了兩類接收器，稱為Type-1和Type-2。圖2顯示了Type-1和Type-2器件所需的響應(yīng)與輸入差分電壓的關(guān)系。類型1接收器類似于LVDS接收器，閾值以0伏差分為中心。類型2接收器通過要求偏移閾值來提供標(biāo)準(zhǔn)化的故障保護(hù)方法。小于+ 50mV的總線輸入信號被定義為低狀態(tài)，而大于+ 150mV的信號被定義為高狀態(tài)。

圖2：接收器差分輸入電壓閾值要求。。

Type-2接收器包括上面確定的理想故障保護(hù)功能。在開路條件下，接收器輸入電壓接近0伏特差分，輸出強(qiáng)制為低電平。當(dāng)接收器輸入引腳短路時(shí)，觀察到類似的行為。當(dāng)所有總線驅(qū)動器再次被禁用時(shí)，接收器差分電壓僅限于耦合差分噪聲，接收器輸出變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，并保證保持低電平，除非差分噪聲電壓超過50 mV閾值。與之前的一些方法不同，M-LVDS Type-2接收器可在寬共模輸入電壓范圍內(nèi)提供故障保護(hù)操作。當(dāng)總線共模電壓在-1 V至3.4 V范圍內(nèi)變化時(shí)，可確保故障安全行為，即使總線電壓處于M-LVDS標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期的極限值，也可使2類接收器保持故障狀態(tài)保護(hù)。

Type-2接收器提供的集成方法不需要外部偏置端接或?qū)Ｓ秒娫?。?dāng)與主總線斷開連接時(shí)，Type-2接收器繼續(xù)“保持安全”。它們不依賴于遠(yuǎn)程偏置網(wǎng)絡(luò)來為那些保持連接的節(jié)點(diǎn)充電總線。

Type-2接收器是標(biāo)準(zhǔn)化的。供應(yīng)商A部件可與供應(yīng)商B部件互換，而無需擔(dān)心對系統(tǒng)軟件或補(bǔ)償電路的影響以強(qiáng)制執(zhí)行共同行為。 “標(biāo)準(zhǔn)化”部件真正符合標(biāo)準(zhǔn)，而不是幾乎兼容。

關(guān)注噪音問題

經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師會意識到所有這些好處必須有一定的成本，而且確實(shí)如此。在內(nèi)部如在2型接收器中，或在外部（通過在總線上施加必須由驅(qū)動器克服的偏置電壓）結(jié)合偏移閾值，降低了系統(tǒng)噪聲容限。噪聲邊際是供需關(guān)系。驅(qū)動器提供一些最小電壓，而接收器需要一些最大輸入電壓以保證操作。圖2比較了Type-1和Type-2接收器的閾值。類型1接收器僅需要+/- 50mV，而類型2接收器需要150mV才需要強(qiáng)制輸出高電平。使用Type-2器件時(shí)，與1型器件相比，噪聲容限明顯低100 mV。

更有趣的噪聲容限比較需要查看LVDS（TIA/EIA-644A）接收器。 LVDS接收器需要+/- 100 mV閾值，這意味著噪聲容限的損失現(xiàn)在僅為50 mV。當(dāng)使用MLVDS驅(qū)動器和M-LVDS接收器時(shí)，這進(jìn)一步得到改善。 MLVDS驅(qū)動器提供的驅(qū)動電流是LVDS驅(qū)動器的三倍以上，輕易掩蓋了Type-2接收器的剩余50 mV噪聲容限成本。

信號失真問題

必須理解的最后一個(gè)考慮因素是由于Type-2偏移引起的信號失真。圖3提供了由Type-2部分的偏移引起的潛在失真的視覺圖像。當(dāng)閾值不以0 V為中心時(shí)，對稱輸入會導(dǎo)致輸出模式不對稱。

圖3：偏移閾值對占空比的影響：較高的偏移會提高邏輯電平觸發(fā)點(diǎn)。

百分之五十的占空比輸入可產(chǎn)生《50％的關(guān)稅=“”cycle =“”outputs，=“”as =“”=“”“high”=“”time =“”difference =“”》 50％》 3 -t 2 ）可以小于整個(gè)周期的50％（2 * ［t4-t1］）。這種失真表現(xiàn)為隨機(jī)數(shù)據(jù)流中的符號間干擾或時(shí)鐘信號的占空比失真。失真水平取決于輸入信號的邊沿速率（t R -t 1 ），以及偏移值。當(dāng)使用偏移接收器時(shí)，必須考慮這種影響，并且可以限制最大有用信令速率。

德州儀器（TI）的M-LVDS系列器件支持Type-1和Type-2操作。 TI提供的Type-2接收器設(shè)計(jì)有占空比校正電路，可預(yù)測潛在的占空比失真，并預(yù)先對輸出信號進(jìn)行失真，以最大限度地減少占空比的變化。通過查看一些典型的時(shí)鐘頻率可以量化產(chǎn)生的效果。

AdvancedTCA和M-LVDS

認(rèn)識到它的好處，PICMG指定使用M-LVDS作為AdvancedTCA系統(tǒng)中同步信號的電信號標(biāo)準(zhǔn)。支持高達(dá)100 MHz的同步信號。可以檢查一對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，以查看并入SN65MLVD206（2型，100 MHz M-LVDS接收器）的占空比校正的有效性。表1比較了使用Type-1和Type-2設(shè)備引入的失真。 SN65MLVD201用于演示Type-1接收器性能。

表1：由于偏移閾值引起的占空比失真：輸入和輸出應(yīng)匹配最小失真。

19.44 MHz和30.72 MHz的時(shí)鐘頻率用于比較。 19.44 MHz是SONET系統(tǒng)時(shí)鐘信號，而30.72 MHz是WCDMA時(shí)鐘頻率。對于每個(gè)頻率，檢查高壓擺率輸入和低壓擺率輸入。高壓擺率信號的峰峰值電壓為800 mV，與M-LVDS驅(qū)動器在短走線長度上的預(yù)期相似。使用了2-ns的高壓擺全范圍轉(zhuǎn)換時(shí)間，再次討論了M-LVDS驅(qū)動器在短走線長度上的預(yù)期。低壓擺率電壓擺幅降至400 mV，而轉(zhuǎn)換時(shí)間減慢至4 ns，這可能是重載背板系統(tǒng)末端的預(yù)期值。

類型的結(jié)果-1接收器并不奇怪。 50％占空比輸入產(chǎn)生50％占空比輸出（0.5％以內(nèi)）。 SN65MLVD201引入的失真很小。表1的下半部分重點(diǎn)介紹了TI Type-2接收器中包含的占空比補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢。最后一列顯示了預(yù)期的占空比（假設(shè)接收器偏移為100 mV，并考慮了輸入信號特性）。較高的壓擺率可最大限度地降低占空比失真的影響。測量的占空比列表明，對于測試的頻率和測試條件，占空比失真小于1％。在SN65MLVD206的輸出端可以非常精確地重建50％的占空比輸入，同時(shí)仍然可以獲得標(biāo)準(zhǔn)化故障保護(hù)的優(yōu)勢。

M-LVDS故障安全接收器提供了一系列強(qiáng)大的功能，可用于設(shè)計(jì)能夠在故障條件下均勻運(yùn)行的穩(wěn)健系統(tǒng)。這些接收器可以使用標(biāo)準(zhǔn)LVDS型驅(qū)動器（需要故障保護(hù)）或本機(jī)M-LVDS系統(tǒng)（如AdvancedTCA）集成到設(shè)計(jì)中。 M-LVDS提供的標(biāo)準(zhǔn)化方法可以更可靠地使用來自不同供應(yīng)商的設(shè)備。通過TI類型2接收器中使用的占空比補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)的優(yōu)勢，而不會出現(xiàn)明顯的信號失真?？梢蕴峁┐_定性輸出，對信號完整性的影響最小。 -