五个问题,闹明白低压差分信号隔离那些事

selina 在 周四, 12/14/2017 - 15:41 提交

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对处于恶劣环境中的外部接口需要予以电流隔离,以增强安全性、功能性或是抗扰能力。这包括工业测量和控制所用数据采集模块当中的模拟前端,以及处理节点之间的数字接口。

低压差分信号传输(LVDS)是一种在更高性能转换器和高带宽FPGA或ASICI/O中常用的高速接口。差分信号传输对于外部电磁干扰(EMI)具有很强的抑制能力(因为反相与同相信号之间的互相耦合所致),同时也相应地可以将任何因为LVDS信号传输所造成的EMI最小化。在LVDS接口上增加隔离是一种透明解决方案,可以将其插入高速和精密测量以及控制应用的现有信号链当中。

当今有哪些选择?

对于转换器和处理器接口的电流隔离,同光耦合器相比,标准数字隔离器是快得多、鲁棒且更为可靠的解决方案。然而,支持高速或精密转换器的典型LVDS数据速率为数百Mbps,但最快速的标准数字隔离器最多支持150 Mbps。

为了支持更高带宽的隔离,系统设计者当前已转向定制化设计密集型解决方案,像是解串行化或利用变压器、电容器的分离方案。这些方案会增加成本与设计时间,解串行化方案甚至可能需要外加一组简单的FPGA,其目的仅仅是为了实现隔离功能。

变压器和电容器需要对LVDS信号加以谨慎的信号调理,由此得到的应用和数据速率特定的解决方案将需要交流平衡编码。进一步的解决方案是使用光纤通信链路,但考虑到成本和更高的复杂度,这更适合于数Gb的需求。图1所示为高速隔离的各种方案选择,以价值主张(依据设计的难易和成本)相对于方案的最大速度所绘制。

隔离器实施的价值主张与隔离器速度的关系

图1. 隔离器实施的价值主张与隔离器速度的关系

作为对比(如图2所示),ADI公司已经推出了一系列直接可用的LVDS隔离器:ADN4650/ADN4651/ADN4652,采用针对高达600Mbps速率而增强的iCoupler®技术。

ADN4651600 Mbps LVDS隔离器框图

图2. ADN4651600 Mbps LVDS隔离器框图

除了TIA/EIA-644-ALVDS兼容I/O之外,其完整的隔离器信号链是全差分式,实现了高抗扰能力及低辐射的解决方案。它提供两个隔离式LVDS通道,一个发射一个接收(ADN4651,ADN4652相反),或是两个发射或接收(ADN4650)。内部高速电路以2.5 V电压工作,工业系统中可能没有这种供电轨,因此其内置图3所示的低压差稳压器(LDO)以支持单一宽体SOIC解决方案,即使采用3.3 V电源供电也无妨。

这些新型LVDS隔离器是否是直接可用的解决方案?

为了保证这些LVDS隔离器能够插入转换器至处理器的接口中,或是以高达600 Mbps运行的处理器内链路中,ADN465x系列有着超低抖动的精密时序。这点相当重要,因为在600 Mbps下,单位间隔(UI,例如位时间)只有1.6 ns,因此边缘上的抖动必须非常小,以便接收器件有足够的时间去对位进行采样。ADN465x的典型总抖动为70 ps,或在600 Mbps下小于5% UI,假设误码率为1×10-12。

如何量化抖动?

查看抖动的最基本方法是用差分探针去测量LVDS信号对,并且上升沿和下降沿上均要触发,示波器设定为无限持续。这意味着高至低和低至高的跃迁会相互迭加,因此可以测量交越点。交越宽度对应于峰峰值抖动或截至目前所测得的时间间隔误差(TIE)(比较图3所示的眼图和直方图)。有一些抖动是随机来源(像是热噪声)所导致,此随机抖动(RJ)意味着示波器上所看到的峰峰值抖动会受到运行时间的限制;随着运行时间增加,直方图上的尾巴会升高。

ADN4651的眼图

图3a. ADN4651的眼图

ADN4651的直方图

图3b. ADN4651的直方图

相比之下,确定性抖动(DJ)的来源是有界限的,例如脉冲偏斜所导致的抖动、数据速率相关抖动(DDJ)和符码间干扰(ISI)。脉冲偏斜源于高至低与低至高传播延迟之间的差异。这可以通过偏移交越实现可视化,即在0 V时,两个边沿分开(很容易通过图3中直方图内的分隔看出来)。DDJ源于不同工作频率时的传播延迟差异,而ISI源于前一跃迁频率对当前跃迁的影响(边沿时序在一连串的1秒或0秒与1010模式码之后通常会有所不同)。

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