交流耦合的優(yōu)點(diǎn)

摘要：本應(yīng)用筆記介紹了交流耦合LVDS鏈路的優(yōu)勢，文章提供了電容選擇的注意事項(xiàng)，并討論了端接拓?fù)洹?

概述

使用電容實(shí)現(xiàn)LVDS數(shù)據(jù)連接的交流耦合有很多益處，比如電平轉(zhuǎn)換，去除共模誤差以及避免輸入電壓故障的發(fā)生。這文不僅介紹了電容的適當(dāng)選型,也為和終端拓?fù)涮峁┲笇?dǎo)，同時(shí)也討論了共模故障分析的問題。

電平轉(zhuǎn)換

LVDS (低壓差分信號(hào))邏輯輸入是眾多現(xiàn)有邏輯標(biāo)準(zhǔn)的一種。只要信號(hào)源可以為LVDS輸入提供足夠的幅度，典型值為差分100mVP-P，采用交流耦合就可以提供所需的電平轉(zhuǎn)換。圖1描述了一個(gè)負(fù)壓ECL邏輯經(jīng)交流耦合后將信號(hào)轉(zhuǎn)換到LVDS邏輯的電路圖。

圖1. ECL至LVDS電平轉(zhuǎn)換配置

優(yōu)化共模電壓

交流耦合LVDS的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許接收IC設(shè)置其最優(yōu)的共模電壓。圖2展示了一個(gè)典型的LVDS輸入電路，MAX9248。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，通常為1.2V，為兩個(gè)高阻端接電阻提供偏置。如果輸入是交流耦合，接收IC可以將允許共模電壓設(shè)置為內(nèi)部的偏置電平。

圖2. LVDS輸入偏置電路

過壓保護(hù)

LVDS信號(hào)在汽車電子的串行－解串(SerDes)鏈路中總是采用交流耦合，因?yàn)檫@種配置可以防止汽車電池短路。對(duì)于任何通過電源配線槽的信號(hào)線，一個(gè)基本要求是必須能夠忍受與電池電壓短路而不損壞。采用交流耦合的LVDS鏈路，當(dāng)耦合電容充電到電池電壓時(shí)，僅僅會(huì)有一個(gè)短暫的大電流脈沖。電流的幅度峰值是短路時(shí)實(shí)際阻抗的函數(shù)。電流毛刺的持續(xù)時(shí)間是耦合電容以及LVDS輸入輸出保護(hù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)。雖然SerDes鏈路在短路時(shí)并不工作，但當(dāng)短路故障解除后可恢復(fù)工作。

電容選擇

選擇電容時(shí)需要考慮幾個(gè)因素。

數(shù)值

LVDS鏈路交流耦合電容的選擇與一系列的參數(shù)相關(guān)，包括：

輸出驅(qū)動(dòng)電平
輸入門限電平
負(fù)載阻抗
電纜長度
最長的脈沖周期

標(biāo)準(zhǔn)的LVDS輸出驅(qū)動(dòng)電平通常定義為最小250mV，且輸入電平門限定義為最大100mV。因此，確保有效電平值的最大衰減量(ATT)為：

換句話說，由直流電阻產(chǎn)生的衰減、交流衰減以及電容耦合衰減的總合必須小于-8dB。兩端差分負(fù)載阻抗通常為100Ω，分析電纜長度時(shí)需要同時(shí)考慮電纜的交流和直流衰減以及連接器阻抗導(dǎo)致的衰減。

最后，還必須考慮數(shù)據(jù)本身，LVDS連接可以傳輸?shù)淖畲竺}沖寬度取決于工作頻率和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)連續(xù)1 (或0)的數(shù)量限制。

對(duì)于具體應(yīng)用，精確的計(jì)算可能過于棘手，也可以簡單選用0.1μF電容，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。當(dāng)數(shù)據(jù)速率降到10MHz以下或采用更長的電纜時(shí)(例如：> 5m)，需要重新核實(shí)電容值，也可以通過計(jì)算、仿真或?qū)嶋H測量獲取電容值。

電壓和介質(zhì)

電容的工作電壓應(yīng)遠(yuǎn)大于出現(xiàn)故障狀況時(shí)的最大峰值電壓。在汽車電子應(yīng)用中，峰值故障電壓是18V。一般不需要將故障條件下的電壓加倍，例如：將電池電壓加倍或考慮甩負(fù)載電壓。

使用X5R、X7R或類似介質(zhì)的電容，避免使用那些電壓或溫度系數(shù)有明顯變化的介質(zhì)電容，如Y5V或Z5U。

端接拓?fù)?/H2>端接拓?fù)淇梢詮娜齻€(gè)主要電路中選擇：(1) 純差分，(2) 中心抽頭差分，(3) 戴維寧端接，圖3給出了這三個(gè)電路。

圖3. LVDS端接電路

純差分是最常用的配置，且在良好屏蔽環(huán)境中用于信號(hào)端接可以提供很好的工作性能。中心抽頭的差分端子將100Ω分為兩個(gè)50Ω電阻，且在中心抽頭位置使用旁路電容。由于任何耦合到LVDS線對(duì)上的共模能量對(duì)地都有一個(gè)低阻通路，這種方式在噪聲環(huán)境下工作很好。純差分和中心抽頭差分端接必須用于包含內(nèi)部偏置的LVDS輸入電路。

如果LVDS接收器不提供內(nèi)部偏置，且輸入信號(hào)為交流耦合，則必須使用戴維寧端接。所選電阻必須使每條線上的戴維寧等效電阻為50Ω，且每條線的戴維寧等效電壓為1.2V，圖4數(shù)值工作于3.3V電源。

交流耦合鏈路故障排查

通過交流耦合的LVDS鏈路傳輸數(shù)據(jù)必須是直流平衡，這意味著所傳輸?shù)?和1的數(shù)目接近相等。具有50%占空比的時(shí)鐘信號(hào)本身就是直流平衡。很多數(shù)據(jù)編碼算法，如曼徹斯特編碼，也提供直流平衡數(shù)據(jù)流。圖4展示了一個(gè)非直流平衡連接的波形。

圖4. 非直流平衡交流耦合LVDS連接

圖4中上部的曲線紅色和藍(lán)色反映了20%占空比碼流的單端測量結(jié)果。下部曲線綠色是一個(gè)互補(bǔ)和真實(shí)信號(hào)的差分測量結(jié)果。差分測量結(jié)果不以0V位置為中心。仔細(xì)分析顯示，每一半波形的面積相等。交流耦合連接無法傳輸任何直流電流，這種情況下，負(fù)端偏移恰恰小于100mV，滿足不了LVDS最小輸入電平的要求。

輸入失效檢測

一些LVDS器件在其輸入端帶有失效檢測電路。失效檢測電路用于識(shí)別輸入故障，假如檢測到故障則關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)器，MAX9180低噪聲LVDS轉(zhuǎn)接器提供了一個(gè)此類設(shè)計(jì)的范例，如圖5所示。假如交流耦合LVDS連接用在該電路中，戴維寧輸入端接方式是必須的。不采用這種方式會(huì)使輸入端的電壓幾乎等于VCC，這將超出LVDS器件的共模電壓范圍。