LVDS隔離的作用 哪些應(yīng)用可以使用LVDS隔離

對處于惡劣環(huán)境中的外部接口需要予以電流隔離，以增強安全性、功能性或是抗擾能力。這包括工業(yè)測量和控制所用數(shù)據(jù)采集模塊當(dāng)中的模擬前端，以及處理節(jié)點之間的數(shù)字接口。

在過去，最多數(shù)Mb的帶寬對轉(zhuǎn)換器接口或工業(yè)背板就足夠了，所以使用光耦合器便能對串行外設(shè)接口(SPI)或RS-485之類的協(xié)議進(jìn)行隔離。數(shù)字隔離器改善了此類隔離接口的安全性、性能和可靠性，并且提供集成式隔離和I/O。然而，工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)這類趨勢要求以更高的速度與精度進(jìn)行更為普及的測量與控制，因而越來越需要更大的帶寬。

電流隔離的需求也隨之激增，因為有更多與物理域進(jìn)行的數(shù)字互動需要避免電機(jī)和電力系統(tǒng)、操作員、靜電放電、以及諸如雷擊所造成的浪涌等外部因素所帶來的影響。精密測量可能也需要與噪聲源（像是更為局部的微型電力電路和高速數(shù)字處理等）隔離。

低壓差分信號傳輸(LVDS)是一種在更高性能轉(zhuǎn)換器和高帶寬FPGA或ASIC I/O中常用的高速接口。差分信號傳輸對于外部電磁干擾(EMI)具有很強的抑制能力（因為反相與同相信號之間的互相耦合所致），同時也相應(yīng)地可以將任何因為LVDS信號傳輸所造成的EMI最小化。在LVDS接口上增加隔離是一種透明解決方案，可以將其插入高速和精密測量以及控制應(yīng)用的現(xiàn)有信號鏈當(dāng)中。

當(dāng)今有哪些選擇？

對于轉(zhuǎn)換器和處理器接口的電流隔離，同光耦合器相比，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器是快得多、魯棒且更為可靠的解決方案。然而，支持高速或精密轉(zhuǎn)換器的典型LVDS數(shù)據(jù)速率為數(shù)百Mbps，但最快速的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器最多支持150 Mbps。

為了支持更高帶寬的隔離，系統(tǒng)設(shè)計者當(dāng)前已轉(zhuǎn)向定制化設(shè)計密集型解決方案，像是解串行化或利用變壓器、電容器的分離方案。這些方案會增加成本與設(shè)計時間，解串行化方案甚至可能需要外加一組簡單的FPGA，其目的僅僅是為了實現(xiàn)隔離功能。變壓器和電容器需要對LVDS信號加以謹(jǐn)慎的信號調(diào)理，由此得到的應(yīng)用和數(shù)據(jù)速率特定的解決方案將需要交流平衡編碼。進(jìn)一步的解決方案是使用光纖通信鏈路，但考慮到成本和更高的復(fù)雜度，這更適合于數(shù)Gb的需求。圖1所示為高速隔離的各種方案選擇，以價值主張（依據(jù)設(shè)計的難易和成本）相對于方案的最大速度所繪制。

圖1. 隔離器實施的價值主張與隔離器速度的關(guān)系

作為對比（如圖2所示），ADI公司已經(jīng)推出了一系列直接可用的LVDS隔離器：ADN4650/ADN4651/ADN4652，采用針對高達(dá)600Mbps速率而增強的iCoupler?技術(shù)。除了TIA/EIA-644-A LVDS兼容I/O之外，其完整的隔離器信號鏈?zhǔn)侨罘质?，實現(xiàn)了高抗擾能力及低輻射的解決方案。它提供兩個隔離式LVDS通道，一個發(fā)射一個接收（ADN4651，ADN4652相反），或是兩個發(fā)射或接收(ADN4650)。內(nèi)部高速電路以2.5 V電壓工作，工業(yè)系統(tǒng)中可能沒有這種供電軌，因此其內(nèi)置圖3所示的低壓差穩(wěn)壓器(LDO)以支持單一寬體SOIC解決方案，即使采用3.3 V電源供電也無妨。

圖2. ADN4651 600 Mbps LVDS隔離器框圖

這些新型LVDS隔離器是否是直接可用的解決方案？

為了保證這些LVDS隔離器能夠插入轉(zhuǎn)換器至處理器的接口中，或是以高達(dá)600 Mbps運行的處理器內(nèi)鏈路中，ADN465x系列有著超低抖動的精密時序。這點相當(dāng)重要，因為在600 Mbps下，單位間隔（UI，例如位時間）只有1.6 ns，因此邊緣上的抖動必須非常小，以便接收器件有足夠的時間去對位進(jìn)行采樣。ADN465x的典型總抖動為70 ps，或在600 Mbps下小于5% UI，假設(shè)誤碼率為1×10-12。

如何量化抖動？

查看抖動的最基本方法是用差分探針去測量LVDS信號對，并且上升沿和下降沿上均要觸發(fā)，示波器設(shè)定為無限持續(xù)。這意味著高至低和低至高的躍遷會相互迭加，因此可以測量交越點。交越寬度對應(yīng)于峰峰值抖動或截至目前所測得的時間間隔誤差(TIE)（比較圖3所示的眼圖和直方圖）。有一些抖動是隨機(jī)來源(像是熱噪聲)所導(dǎo)致，此隨機(jī)抖動(RJ)意味著示波器上所看到的峰峰值抖動會受到運行時間的限制；隨著運行時間增加，直方圖上的尾巴會升高。

圖3. ADN4651的眼圖和直方圖

相比之下，確定性抖動(DJ)的來源是有界限的，例如脈沖偏斜所導(dǎo)致的抖動、數(shù)據(jù)速率相關(guān)抖動(DDJ)和符碼間干擾(ISI)。脈沖偏斜源于高至低與低至高傳播延遲之間的差異。這可以通過偏移交越實現(xiàn)可視化，即在0 V時，兩個邊沿分開（很容易通過圖3中直方圖內(nèi)的分隔看出來）。DDJ源于不同工作頻率時的傳播延遲差異，而ISI源于前一躍遷頻率對當(dāng)前躍遷的影響（邊沿時序在一連串的1秒或0秒與1010模式碼之后通常會有所不同）。

為了完整地估算特定誤碼率下的總抖動()，RJ與DJ可以依據(jù)測量得到的TIE分布所適配的模型來計算。此類模型中的一種是雙狄拉克模型，它假設(shè)高斯隨機(jī)分布與雙狄拉克δ函數(shù)卷積（兩個狄拉克δ函數(shù)之間的分隔距離對應(yīng)于確定性抖動）。對于具有明顯確定性抖動的TIE分布而言，該分布在視覺上近似于此模型。有一項困難是某些確定性抖動會對高斯分量帶來影響，亦即雙狄拉克函數(shù)可能低估確定性抖動，高估隨機(jī)抖動。然而，兩者結(jié)合仍能精確估計特定誤碼率下的總抖動。

RJ規(guī)定為高斯分布模型中的1 σ rms值，若要推斷更長的運行長度（低BER），只需選擇適當(dāng)?shù)亩唳遥蛊溲刂植嫉奈捕艘苿幼銐蜷L的距離（1×10-12位錯誤需要14 σ）即可。接著加入DJ以提供的估計值。對于信號鏈中的多個元件，與其增加會導(dǎo)致高估抖動的多個TJ值，不如將RJ值進(jìn)行幾何加總，將DJ值進(jìn)行代數(shù)加總，這樣將能針對完整的信號鏈提供更為合理的完整估計。

ADN4651的RJ、DJ和全都是分別指定的，依據(jù)多個單元的統(tǒng)計分析提供各自的最大值，藉以確保這些抖動值在電源、溫度和工藝變化范圍內(nèi)都能維持。

不同LVDS接口如何仰賴精密數(shù)據(jù)躍遷？

典型接收器可以容許10%至20% UI的抖動，舉例來說，利用ADN465x隔離外部LVDS端口將能使工業(yè)背板在PLC與I/O模塊間的纜線上安全地延伸。最大纜線距離取決于容許數(shù)據(jù)速率、纜線結(jié)構(gòu)以及連接器類型，但在較低數(shù)據(jù)速率（例如200 Mbps）且使用高速連接器和適當(dāng)?shù)钠帘坞p絞線時，數(shù)米纜線長度是有可能實現(xiàn)的。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口通常利用LVDS進(jìn)行信號源同步數(shù)據(jù)發(fā)送。這意味著LVDS時鐘會與其他LVDS通道上的一個或多個數(shù)據(jù)位流并行發(fā)送。ADN4650的低通道間和器件間偏斜（分別為≤300 ps和≤500 ps）對此很有利。這些偏斜值說明了多個通道上的高至低(或低至高)傳播延遲之間的最大差異，從統(tǒng)計意義上保證了所有ADN4650器件在電源、溫度和工藝變化范圍內(nèi)的性能。在上升和下降時鐘沿上均進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以實現(xiàn)雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)時（某些轉(zhuǎn)換器會利用DDR來提高輸出帶寬），≤100 ps的低脈沖偏斜支持時鐘同步。

ADC采樣時鐘可能需要加以隔離，以便將使用外部時鐘源的模擬前端成功地完全隔離；舉例來說，為一組多重數(shù)據(jù)采集通道同時提供時鐘信號。這對任何隔離器來說都是挑戰(zhàn)，因為時鐘上的任何抖動都會直接增加到孔徑抖動上，進(jìn)而降低測量質(zhì)量。同時鐘源一樣，LVDS信號鏈中用于時鐘分配的器件，例如扇出緩沖器，通常都會將此抖動規(guī)定為加性相位抖動。這意味著輸入時鐘的相位噪聲會與輸出時鐘的相位噪聲進(jìn)行比較，并將其差值在相關(guān)頻率范圍（一般為12 kHz至20 MHz）上進(jìn)行積分。ADN465x系列本質(zhì)上屬于集成隔離功能的LVDS緩沖器，所以同樣的觀點也適用于分析對ADC采樣的影響。使用ADN465x時，確保典型加性相位抖動只有376 fs，這樣即使增加電流隔離，也能維持原始測量質(zhì)量，因為增加隔離可以消除處理器端數(shù)字電路中的噪聲。

圖4. 用于AD7960和SDP-H1的ADN4651隔離電路

在采樣時鐘被隔離的情況下，600 Mbps的無錯誤傳輸、與300 MHz時鐘同步以及最高ADC性能和分辨率，已經(jīng)通過參考電路CN-0388中的AD7960（18位、5 MSPS、SAR ADC）加以驗證，如圖4所示。利用能夠透明隔離模擬前端的轉(zhuǎn)接卡，將ADC電路板與高速SDP-H1評估平臺之間的現(xiàn)有ADC評估平臺進(jìn)行隔離。軟件沒有更動，利用精密模擬信號源對數(shù)據(jù)手冊規(guī)格所做的評估確認(rèn)其具有與非隔離平臺相同的性能。

還有哪些應(yīng)用可以使用LVDS隔離？

隔離式模擬前端或隔離式工業(yè)背板是兩個很有用的應(yīng)用范例，可以很好地展示LVDS隔離所提供的機(jī)會，但此技術(shù)還有很多其他應(yīng)用。送到平板顯示器的視頻信號通常使用LVDS信號，而HDMI?信號使用類似的差分信號共模邏輯(CML)。這些通常不需要隔離，但是對于醫(yī)療成像或工業(yè)PC中的外部顯示端口之類的應(yīng)用而言，電流隔離可以保護(hù)人體或設(shè)備。

作者簡介

Conal Watterson博士是ADI公司接口與iCoupler?數(shù)字隔離器部的應(yīng)用工程師，工作地點在愛爾蘭利默里克。Conal擁有利默里克大學(xué)博士和工程碩士學(xué)位，自2010年以來發(fā)表了很多關(guān)于工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、診斷/可靠性、高速信號和隔離的論文和文章。他目前專注的主題是集成隔離通信解決方案和隔離電源、高速接口以及EMC和隔離標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性。