ADI 深度丨細說電流隔離 LVDS 接口

信號傳輸應用常用的方法是低壓差分信號傳輸(LVDS)。這涉及到串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募扔?a target="_blank">接口標準 (TIA/EIA-644)，除了極佳的節(jié)能特性和高達幾 Gbps 的數(shù)據(jù)速率潛力之外，它還具有很高的抗擾度。這些良好特性可歸因于內(nèi)部使用的電流控制或驅動器模塊的限流功能（最大3 mA）。信號差分電壓僅為 20 mV。但是，它隨后在接收器側被放大回 300 mV（差分）的邏輯電平。由此獲得的好處包括電磁干擾 (EMI) 極其低、開關速度極其快等。

LVDS接口常常與控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)一起使用，大數(shù)據(jù)量必須在電子電路之間或短電纜之間發(fā)送。它還能將時鐘信號非常快速地 分配給完整應用中的不同器件，從而使相應器件同步。工業(yè)測量應用和控制系統(tǒng)中的模擬前端 (AFE) 屬于 LVDS 的典型應用。不過，它也常用于實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)節(jié)點之間的以及視頻信號傳輸中的數(shù)字接口，例如通過 HDMI?。另一個不容忽視的方面是 LVDS 電路提供電流隔離的可能性。因此，它也用于任何需要隔離通信接口的地方，例如在電子電路或背板中。

背板是含有多個連接器的電路板，用于容納各種外掛板模塊。基本系統(tǒng)利用背板可輕松實現(xiàn)即插即用擴展，以包括更多組件。然而，外掛模塊常常要經(jīng)受高壓瞬變，因為在許多應用中，它們與連接到配電網(wǎng)的部件直接接觸。因此，外掛模塊容易受到雷擊等外部事件的影響。人體接觸引起的靜電放電，內(nèi)部電容突然充電、反極性充電或在插拔外掛模塊時放電，也會導致高瞬變。因此，安全隔離接口對于系統(tǒng)是必不可少的。否則，如果發(fā)生電壓瞬變，相連組件很容易損壞，或者危及用戶。功能隔離的通信接口對工業(yè)測量儀器也很有利，因為隔離接口提供一個浮空接地，例如位于模數(shù)轉換器和微控制器之間。這樣，測量信號就不會影響和干擾應用的其余部分，也不會受其影響或干擾。

市場上已經(jīng)有各種各樣用于實現(xiàn)隔離 LVDS 接口的產(chǎn)品。ADI 公司的隔離 LVDS 系列是非常有效且可靠的解決方案，包括 ADN4650、ADN4651 和 ADN4652，支持高達 600 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，同時也符合非隔離LVDS接口的標準值。相比之下，標準數(shù)字隔離器只能達到 150 Mbps。由于采用 iCoupler?技術，盡管存在隔離，該系列仍能實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。這涉及到利用微機電系統(tǒng) (MEMS) 實現(xiàn)片上變壓器，從而簡單地隔離數(shù)字信號并節(jié)省空間。

LVDS 系列還提供超精密時間特性和極低的抖動（也稱為時序抖動）。抖動描述數(shù)字信號的上升沿和下降沿相對于理想時間基準的偏差。在高數(shù)據(jù)速率下，低抖動非常重要，因為以 600 Mbps 的速率傳輸一比特僅需 1.6 ns。對信號上升沿或下降沿中的抖動要求是，必須讓模數(shù)轉換器有足夠的時間來達到實際的高電平或低電平，以便可以正確執(zhí)行采樣。

對于 ADN465x 系列，抖動典型值為 70 ps。LVDS 模塊還提供兩個隔離 LVDS 通道， 構成 ADN4651 中的發(fā)射和接收通道。ADN4652 中的通道排列與 ADN4651 中的通道排列相反，而 ADN4650 僅提供發(fā)射或接收通道，具體取決于接線。ADN465x 系列利用內(nèi)部 2.5 V 電源電壓工作；遺憾的是，工業(yè)系統(tǒng)常常沒有這種電源電壓，僅提供 3.3 V 電壓。因此，ADN465x 系列中集成了低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，其輸入端可接受 3.3 V 的外部電源電壓。模塊或其輸入端及其隔離輸出端的供電可以使用隔離式 ADuM5000 DC-DC 轉換器等實現(xiàn)。這樣可以選擇性地產(chǎn)生5 V或3.3 V的隔離輸出電壓，最大功率輸出為 500 mW。此電路配置如圖1所示。

圖1. 采用ADN4651和ADuM5000的隔離LVDS接口

結合 ADuM5000，該器件系列可滿足當今工業(yè)應用對隔離 LVDS 接口的眾多要求。這種高度集成的解決方案還滿足標準化總線通信的所有先決條件。LVDS 接口經(jīng)常用于節(jié)能應用。對此，ADN4651 和 ADuM5000 的組合是替代傳統(tǒng)光耦合器的極其省電的解決方案。常常需要同時隔離多個通道。

在 LVDS 應用中，通道并行使用以使吞吐速率和相應的波特率最大。所述采用 ADI 公司上述模塊的電路提供一個四通道隔離器：兩個發(fā)射通道和兩個接收通道。因此，一個電子組件上的兩個完整發(fā)射和接收通道可同時以非常高的傳輸速率進行信號傳輸。

只要符合關于最大脈沖寬度失真的要求，利用 ADN465x 系列便可輕松達到DC 至 600 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。此外，布局中必須考慮與高速傳輸差分信號相關的一些因素。輸入側和輸出側走線應匹配，并且相對于地具有近似 50Ω 的阻抗，或信號線之間具有 100Ω 阻抗。另外，建議在 LVDS 輸入端連接 100Ω 端接電阻，如圖 2所示。

圖2. 采用ADN4651的隔離LVDS接線電路

電纜長度和連接器類型也會影響最大數(shù)據(jù)速率。使用較低數(shù)據(jù)速率（最高200 Mbps）并與支持高數(shù)據(jù)速率和帶有屏蔽線對的連接器結合時，電纜甚至可以長達數(shù)米。

ADN4650/ADN4651/ADN46521 是信號隔離式 LVDS 緩沖器，數(shù)據(jù)速率高達 600 Mbps，并且具有極低的抖動。與 ADuM5000 的這種 組合使其成為高速信號傳輸?shù)睦硐脒x擇，能夠實現(xiàn)短距離 600 Mbps 和數(shù)米距離 200 Mbps 的傳輸速率。