LVDS串行器的信號(hào)完整性與傳輸速率和電纜長度的關(guān)系

本應(yīng)用筆記研究了串行數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào)完整性與電纜長度的關(guān)系。使用MAX9207/MAX9208 LVDS串行器/解串器對(duì)使用各種長度的電纜進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量。結(jié)果以抖動(dòng)和最大數(shù)據(jù)速率與電纜長度的關(guān)系表列出。

介紹

MAX9205/9207串行器和MAX9206/9208解串器設(shè)計(jì)用于通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連傳輸高速數(shù)據(jù)。MAX400-MAX600的串行“有效載荷”數(shù)據(jù)速率為9207Mbps至9208Mbps，MAX160-MAX400的串行“有效載荷”數(shù)據(jù)速率為9205Mbps至9206Mbps。兩對(duì)具有相同的配置，僅在工作頻率上有所不同。在本應(yīng)用筆記中，我們將重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)速率更高的MAX9207串行器。

串行器和解串器可用于需要快速數(shù)據(jù)互連的應(yīng)用，例如電信/網(wǎng)絡(luò)背板數(shù)據(jù)交換、3G 手機(jī)基站互連和視頻顯示面板接口。LVDS互連的優(yōu)點(diǎn)是配置簡單、傳輸功率低、電纜成本低、數(shù)據(jù)速率高、工作距離長、EMI低。LVDS標(biāo)準(zhǔn)（ANSI TIA/EIA-644和IEEE 1596.3）規(guī)定了信號(hào)電平、波形和時(shí)序，但沒有規(guī)定電纜類型、數(shù)據(jù)速率、總線結(jié)構(gòu)和鏈路距離。它們?yōu)橛脩籼峁┝藢VDS信令應(yīng)用于各種應(yīng)用的靈活性，但需要熟悉LVDS在數(shù)據(jù)速率、誤碼率（BER）、電纜長度和電纜類型方面的特性。本應(yīng)用筆記介紹了不同數(shù)據(jù)速率和電纜長度下LVDS信號(hào)質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果和分析。預(yù)計(jì)本說明將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用提供一些指導(dǎo)。

通過測(cè)量LVDS眼圖在不同日期速率和電纜長度下的抖動(dòng)和幅度來量化信號(hào)質(zhì)量。使用眼圖是因?yàn)榕cBER測(cè)試相比，它需要簡單的設(shè)備并且易于進(jìn)行。BER測(cè)試需要很長的測(cè)試時(shí)間。例如，用于驗(yàn)證錯(cuò)誤率為 10 的 BER 測(cè)試-12至少需要 10 個(gè)14位。在 400Mbps 時(shí)，發(fā)送和接收 3 需要將近 10 天的時(shí)間14位。驗(yàn)證 BER 為 10-13需要一個(gè)月的時(shí)間。眼圖的抖動(dòng)與信號(hào)質(zhì)量直接相關(guān)，從中我們可以預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)鏈路的可靠性。

測(cè)量設(shè)置

在傳導(dǎo)測(cè)試中，LVDS信號(hào)從MAX9207 LVDS串行器發(fā)送。MAX9207鎖存10位并行輸入數(shù)據(jù)，增加兩個(gè)開銷同步位，并通過單路LVDS輸出發(fā)送串行數(shù)據(jù)流。并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘（TCLK）可高達(dá)60MHz。包括兩個(gè)同步位后，串行速率（表中稱為“鏈路數(shù)據(jù)速率”）為12 x TCLK?！坝行лd荷”數(shù)據(jù)速率（并行數(shù)據(jù)的傳輸速率）為 10 x TCLK。MAX9207的功能模塊如圖1所示。

圖1.MAX9207的功能框圖

測(cè)試設(shè)置如圖 2 所示。10 位并行數(shù)據(jù)由索尼/泰克 DG2020A 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器生成。重復(fù)的512隨機(jī)位序列輸出到MAX9207并行輸入的每個(gè)位。每個(gè)隨機(jī)序列由具有隨機(jī)選擇系數(shù)的 32 位移位寄存器生成。每個(gè)輸出都有一組不同的系數(shù)。電纜是非屏蔽以太網(wǎng) 5 類，AWG 24，雙絞線。我們測(cè)試了各種電纜長度：5英尺、15英尺、30英尺和60英尺。電纜的一端通過MAX9207評(píng)估板上的兩個(gè)通孔（1A和1B）連接到MAX9207輸出。電纜的另一端由一個(gè)100Ω電阻端接。眼圖是在泰克 TDS784C 示波器上使用泰克 P6247 1.0GHz 差分探頭測(cè)量的。示波器與MAX9207并行速率時(shí)鐘同步。

圖2.眼圖測(cè)量設(shè)置。

測(cè)試結(jié)果

進(jìn)行四組測(cè)試。在每個(gè)組中，選擇不同的電纜長度，鏈路數(shù)據(jù)速率從480Mbps到720Mbps不等。該鏈路數(shù)據(jù)速率包括兩個(gè)同步位，使得來自10位并行輸入的“有效載荷”數(shù)據(jù)速率為400Mbps至600Mbps。總抖動(dòng) t泰杰在零差分電壓和數(shù)量 t 的線上測(cè)量用戶界面是位符號(hào)的持續(xù)時(shí)間（參見圖 3）。除了測(cè)量 t泰杰，我們還測(cè)量了另一個(gè)稱為邊際抖動(dòng) t 的抖動(dòng)美杰與LVDS信號(hào)的差分電壓有關(guān)（見圖3）。如圖3所示，抖動(dòng)t美杰從眼圖的過零中心到峰峰值差分電壓等于300mV的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。隨著邊際抖動(dòng)t美杰，我們可以測(cè)量解串器MAX9208可以可靠恢復(fù)的數(shù)據(jù)速率裕量。差分峰峰值電壓定義為VP-P.在P-P是測(cè)量點(diǎn)單端電壓差值的兩倍，或VP-P= 2 × |（在輸出+） - （V外-)|.例如，在測(cè)量點(diǎn)，如果 V輸出+= 1.35V 和 V外-= 1.10V 相對(duì)于高電平狀態(tài)下的地和 V輸出+= 1.10V 和 V外-= 1.35V 相對(duì)于低電平時(shí)的地，則 VP-P= 500mV。由于測(cè)量是用差分探頭（減去V外-從 V輸出+） 眼圖顯示 VP-P.直觀地說，t用戶界面， U泰杰是眼圖寬度和V的量度P-P是振幅。

圖3.零差分電壓線處的抖動(dòng)測(cè)量。

表1記錄了電纜長度從5英尺到60英尺的四組測(cè)試的測(cè)量結(jié)果。在表中，鏈路數(shù)據(jù)速率是LVDS鏈路上的實(shí)際速率。

在圖4、5和圖6中，我們繪制了抖動(dòng)和差分電壓與鏈路數(shù)據(jù)速率的關(guān)系圖。

圖4.總抖動(dòng)tTJ 與鏈路數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

圖5.邊際抖動(dòng) tMJ 與鏈路數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

圖6.差分電壓 VP-P與鏈路數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

從測(cè)量中，我們可以觀察到一些事實(shí)。從 5 英尺到 30 英尺，噸泰杰和 t美杰相對(duì)于鏈路數(shù)據(jù)速率緩慢增加。當(dāng)電纜長度增加到 60 英尺時(shí)，抖動(dòng)會(huì)隨著鏈路數(shù)據(jù)速率的增加而迅速增加。對(duì)于抖動(dòng)與電纜長度，兩者都在 15 英尺以下緩慢增加，然后在 30 英尺和 60 英尺時(shí)更快。對(duì)于差分電壓與鏈路數(shù)據(jù)速率，VP-P在鏈路數(shù)據(jù)速率方面幾乎呈線性變化。隨著電纜長度從 15 英尺增加到 30 英尺，有一個(gè)很大的增量?？傮w而言，它表明MAX9207提供的LVDS信號(hào)在低成本CAT-5非屏蔽雙絞線上可以具有較長的距離。

MAX9208解串器設(shè)計(jì)用于接收MAX9207發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。根據(jù)MAX9208的數(shù)據(jù)資料，它可以可靠地恢復(fù)數(shù)據(jù)，邊際抖動(dòng)美杰在 720Mbps 時(shí)小于 480ps，在 320Mbps 時(shí)小于 720ps。通過線性插值，我們得到480Mbps和720Mbps之間速率的邊際抖動(dòng)上限（見表2）。這些上限為我們提供了確定各種電纜長度的可靠傳輸速率的標(biāo)準(zhǔn)。為了提供保守的結(jié)果，我們將抖動(dòng)上限收緊了 10%。表3給出了MAX9207可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，MAX9208在不同電纜長度下可以可靠地恢復(fù)抖動(dòng)上限。圖 7 以對(duì)數(shù)刻度繪制了這些結(jié)果。

圖7.不同電纜長度的可靠鏈路數(shù)據(jù)速率。

上述結(jié)果表明，對(duì)于5英尺和15英尺電纜，數(shù)據(jù)速率受MAX720串行器的最高工作數(shù)據(jù)速率（9207Mbps）的限制。當(dāng)電纜長度超過30ft時(shí)，數(shù)據(jù)速率會(huì)隨著長度的增加而降低。通過這些測(cè)量，表明MAX9207/9208串行器/解串器對(duì)可以用一對(duì)CAT-5電纜建立可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)鏈路，適用于各種應(yīng)用。圖7為用戶提供了選擇電纜長度的簡單設(shè)計(jì)指導(dǎo)。為了顯示數(shù)字示波器測(cè)量的一些信號(hào)，圖8顯示了在表3條件下測(cè)量的眼圖。

圖8.不同電纜長度的眼圖。

由于在某些應(yīng)用中，最好通過在LVDS輸出引腳上插入兩個(gè)電容器，在串行器和解串器之間使用交流耦合。為了演示交流耦合的效果，我們?cè)诿總€(gè)串行器輸出中插入了一個(gè)0.012μF陶瓷片式電容器。圖 9 顯示了 15 英尺電纜在 720Mbps 數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行直流和交流耦合的眼圖。比較兩種情況的眼圖，我們看到交流耦合降低了差分電壓并略微增加了抖動(dòng)。我們可以忽略交流耦合對(duì)信號(hào)完整性的影響，只要信號(hào)具有良好的零直流平衡。

圖9.使用 15 英尺電纜的直流和交流耦合眼圖。

結(jié)論

眼圖可以很好地衡量LVDS信號(hào)質(zhì)量。眼圖的抖動(dòng)和幅度由串行器和電纜特性決定。根據(jù)解串器的特性，MAX9208的邊際抖動(dòng)t美杰可以直接確定可以通過鏈路可靠傳輸和恢復(fù)的數(shù)據(jù)速率。本報(bào)告提供了MAX9207 LVDS串行器在CAT-5電纜上的典型性能。測(cè)量結(jié)果可作為系統(tǒng)互連的設(shè)計(jì)指南。對(duì)于電纜不是CAT-5的應(yīng)用，可以使用本報(bào)告的方法，但不能使用測(cè)量數(shù)據(jù)。需要注意的是，電纜的高頻傳輸線特性是決定信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

審核編輯：郭婷