ADI 深度丨細(xì)說電流隔離 LVDS 接口

信號(hào)傳輸應(yīng)用常用的方法是低壓差分信號(hào)傳輸(LVDS)。這涉及到串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募扔?a target="_blank">接口標(biāo)準(zhǔn) (TIA/EIA-644)，除了極佳的節(jié)能特性和高達(dá)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(qū)動(dòng)器模塊的限流功能（最大3 mA）。信號(hào)差分電壓僅為 20 mV。但是，它隨后在接收器側(cè)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(guān)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(shí)鐘信號(hào)非?？焖俚?分配給完整應(yīng)用中的不同器件，從而使相應(yīng)器件同步。工業(yè)測量應(yīng)用和控制系統(tǒng)中的模擬前端 (AFE) 屬于 LVDS 的典型應(yīng)用。不過，它也常用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的以及視頻信號(hào)傳輸中的數(shù)字接口，例如通過 HDMI?。另一個(gè)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(gè)連接器的電路板，用于容納各種外掛板模塊?；鞠到y(tǒng)利用背板可輕松實(shí)現(xiàn)即插即用擴(kuò)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?yàn)樵谠S多應(yīng)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(shí)放電，也會(huì)導(dǎo)致高瞬變。因此，安全隔離接口對(duì)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(duì)工業(yè)測量儀器也很有利，因?yàn)楦綦x接口提供一個(gè)浮空接地，例如位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控制器之間。這樣，測量信號(hào)就不會(huì)影響和干擾應(yīng)用的其余部分，也不會(huì)受其影響或干擾。

市場上已經(jīng)有各種各樣用于實(shí)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(dá) 600 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)也符合非隔離LVDS接口的標(biāo)準(zhǔn)值。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器只能達(dá)到 150 Mbps。由于采用 iCoupler?技術(shù)，盡管存在隔離，該系列仍能實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。這涉及到利用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 實(shí)現(xiàn)片上變壓器，從而簡單地隔離數(shù)字信號(hào)并節(jié)省空間。

LVDS 系列還提供超精密時(shí)間特性和極低的抖動(dòng)（也稱為時(shí)序抖動(dòng)）。抖動(dòng)描述數(shù)字信號(hào)的上升沿和下降沿相對(duì)于理想時(shí)間基準(zhǔn)的偏差。在高數(shù)據(jù)速率下，低抖動(dòng)非常重要，因?yàn)橐?600 Mbps 的速率傳輸一比特僅需 1.6 ns。對(duì)信號(hào)上升沿或下降沿中的抖動(dòng)要求是，必須讓模數(shù)轉(zhuǎn)換器有足夠的時(shí)間來達(dá)到實(shí)際的高電平或低電平，以便可以正確執(zhí)行采樣。

對(duì)于 ADN465x 系列，抖動(dòng)典型值為 70 ps。LVDS 模塊還提供兩個(gè)隔離 LVDS 通道， 構(gòu)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(zhuǎn)換器等實(shí)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(jié)合 ADuM5000，該器件系列可滿足當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化總線通信的所有先決條件。LVDS 接口經(jīng)常用于節(jié)能應(yīng)用。對(duì)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(shí)隔離多個(gè)通道。

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

只要符合關(guān)于最大脈沖寬度失真的要求，利用 ADN465x 系列便可輕松達(dá)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(hào)相關(guān)的一些因素。輸入側(cè)和輸出側(cè)走線應(yīng)匹配，并且相對(duì)于地具有近似 50Ω 的阻抗，或信號(hào)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(huì)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(duì)的連接器結(jié)合時(shí)，電纜甚至可以長達(dá)數(shù)米。

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