M-LVDS接收器检测能助力故障保护

设计人员早已知道在各种应用中使用低压差分信号（LVDS）的好处，如无线基站，投影电视，普通纸复印机和手持式消费电子产品。 LVDS提供高速信号，低电磁辐射和极低的功耗。但是，TIA/EIA-644A标准没有提供如何处理故障保护的指导。特定应用的设计要求通常要求在线路故障条件下或LVDS驱动器处于非活动状态时确定性输出。

各种供应商提供各种故障安全方法和建议。一些方法依赖于增加的电路组件来提供在线路接收器外部没有输入的已知输出。其他供应商集成电路以建立内部偏置，或检测输入损耗并强制固定输出。虽然每种故障安全方法都有其优点，但缺乏标准化会导致互换性问题。 M-LVDS接收器通过集成故障保护解决方案解决了这些缺点，该解决方案是TIA/EIA-899标准的一部分。

M-LVDS接收器检测包括开路，短路，线路断开和残疾司机。这种故障保护方法还提供了在整个接收器输入范围内工作所需的好处，这是以前一些解决方案的常见缺点。

谁需要故障保护？

在合成数据传输系统时，设计失败或非操作条件通常不是首要关注的问题。速度，功率，坚固性和成本应该是首要考虑因素。然而，设计师最终会开始考虑当并非所有事情都像往常一样运作时会发生什么。 “当电缆断开时我的接收器会做什么？” （开路问题）; “当我的公交线路短路时会发生什么？” （短路问题）; “当驱动程序（或驱动程序）被禁用时，接收器输出会发生什么？” （闲置问题）;和“什么会导致我的接收器输出振荡？” （振铃问题）。这些是来自客户的常见问题，希望在设计阶段，但不幸的是，在评估阶段经常。每个问题都涉及线路接收器在正常数据传输故障时或系统故障时的响应。故障安全规定对这些条件中的每一个都提供了确定性响应，确保接收器输出在正常操作“失败”时进入“安全”状态。

异步系统对故障安全规定具有内在需求。暂停通信通常通过将线路驱动到固定状态来表示，其中下一个分组的开始由“开始”位或“开始”序列指示。接收设备使用预定义的转换序列来检测输入数据，并在总线未激活时忽略数据电路。

源同步时钟系统还需要集成到其网络中的故障保护规定。例如，考虑一个总线通信系统，其中动态主机发送8位并行数据，同步时钟信号锁存在每个接收器节点的数据中。在一个节点传输其数据之后，在新主机获得对介质的访问之前存在空闲时间，并开始通信。同步时钟信号的状态在此转换期间至关重要，因为错误转换会导致向每个接收节点错误地传送字节。

需要故障保护规定的系统的最后一个示例是冗余的集中式时钟分发系统。在这种情况下，可以集成两个模块以提供完全冗余的同步信号。指定主时钟源，当主时钟不存在时备用信号可用。在故障条件下，例如驱动器故障或总线短路，每个时钟接收器检测到故障情况并转换到备用电源至关重要。将故障保护机制纳入每个接收器有助于实现强大的故障检测和响应。

以前的解决方案

提供数据线故障保护的最常用方法是使用外部偏置组件，如图1所示。

图1：外部故障安全偏置网络使用梯形电阻梯来避免接地故障。

选择电阻R1，R2和R3匹配传输介质的特征阻抗，同时还提供大于所用接收器阈值的总线偏置电压。电阻R4用作线路匹配终端电阻，位于传输线的远端。选择元件值时，与（R1 + R3）并联的R2应与传输介质阻抗相等，而与R4并联的R2则作为分压器，R1和R3用于设置故障安全偏置电压。该方法适用于每个独特应用程序可用的自定义。偏置电压可以设置得足够高以考虑系统中预期的差分噪声，或者足够低以利用所使用的接收器的已知灵敏度。

这种方法的缺点是必须在系统中包含额外的组件，并且必须使用额外的偏置功率来为故障安全网络供电。在故障条件包括接收器与通信总线断开的情况下，外部网络不提供保护，因为接收器现在不能访问偏置总线。因此，除非在每个接收器处包含其他附加保护装置，否则它们将不会实现固定输出。为了简化整体系统设计，降低功耗和成本，并提供更强大的故障保护机制，许多提供LVDS设备的供应商都引入了集成故障保护接收器。最常见的方法是在VCC电源轨上安装内部上拉电阻，或在一个差分总线输入引脚上连接一个上拉电阻，在互补引脚上安装一个下拉电阻。在任何一种情况下，目标都是在输入信号丢失的情况下建立一个导致预定输出的接收器条件。

这些集成方法中的一些也有利弊。作为使用窗口比较器实现的独特集成“主动”故障保护。可互换性是这些方法中的每一种的共同缺点。专有或定制设计通常会导致系统中来自多个供应商的类似部件的行为与丢失的输入不同。虽然设计人员可能想要使用被认为可以从多个供应商处获得的设备，但由于特定故障保护机制的非标准行为，他可能会发现自己依赖于单个供应商。

理想的特征故障保护机制

利用所有不同的故障保护方法，设计人员可能不确定哪种方法对于特定设计是最佳的。虽然可能有许多不错的选择，但以下特征是首选方法的特征。优选的故障保护机制应在接收器的完整共模输入范围内提供开路，短路和空闲线路检测和保护。在有限的操作条件下提供保护限制了解决方案的稳健性。优选的方法应该集成，不需要额外的偏置组件或电源，同时还在每个节点提供故障保护，即使在节点是从网络中删除。最后，也可能最重要的是，应该标准化故障安全机制，在使用来自不同供应商的组件时，可以保持一致的性能和可互换性。

M-LVDS接收器

M-LVDS标准（TIA/EIA-899）是一种通用多点规范，可将LVDS的优势扩展到多驱动器设计。该标准确定了两类接收器，称为Type-1和Type-2。图2显示了Type-1和Type-2器件所需的响应与输入差分电压的关系。类型1接收器类似于LVDS接收器，阈值以0伏差分为中心。类型2接收器通过要求偏移阈值来提供标准化的故障保护方法。小于+ 50mV的总线输入信号被定义为低状态，而大于+ 150mV的信号被定义为高状态。

图2：接收器差分输入电压阈值要求。。

Type-2接收器包括上面确定的理想故障保护功能。在开路条件下，接收器输入电压接近0伏特差分，输出强制为低电平。当接收器输入引脚短路时，观察到类似的行为。当所有总线驱动器再次被禁用时，接收器差分电压仅限于耦合差分噪声，接收器输出变为低电平状态，并保证保持低电平，除非差分噪声电压超过50 mV阈值。与之前的一些方法不同，M-LVDS Type-2接收器可在宽共模输入电压范围内提供故障保护操作。当总线共模电压在-1 V至3.4 V范围内变化时，可确保故障安全行为，即使总线电压处于M-LVDS标准预期的极限值，也可使2类接收器保持故障状态保护。

Type-2接收器提供的集成方法不需要外部偏置端接或专用电源。当与主总线断开连接时，Type-2接收器继续“保持安全”。它们不依赖于远程偏置网络来为那些保持连接的节点充电总线。

Type-2接收器是标准化的。供应商A部件可与供应商B部件互换，而无需担心对系统软件或补偿电路的影响以强制执行共同行为。 “标准化”部件真正符合标准，而不是几乎兼容。

关注噪音问题

经验丰富的设计师会意识到所有这些好处必须有一定的成本，而且确实如此。在内部如在2型接收器中，或在外部（通过在总线上施加必须由驱动器克服的偏置电压）结合偏移阈值，降低了系统噪声容限。噪声边际是供需关系。驱动器提供一些最小电压，而接收器需要一些最大输入电压以保证操作。图2比较了Type-1和Type-2接收器的阈值。类型1接收器仅需要+/- 50mV，而类型2接收器需要150mV才需要强制输出高电平。使用Type-2器件时，与1型器件相比，噪声容限明显低100 mV。

更有趣的噪声容限比较需要查看LVDS（TIA/EIA-644A）接收器。 LVDS接收器需要+/- 100 mV阈值，这意味着噪声容限的损失现在仅为50 mV。当使用MLVDS驱动器和M-LVDS接收器时，这进一步得到改善。 MLVDS驱动器提供的驱动电流是LVDS驱动器的三倍以上，轻易掩盖了Type-2接收器的剩余50 mV噪声容限成本。

信号失真问题

必须理解的最后一个考虑因素是由于Type-2偏移引起的信号失真。图3提供了由Type-2部分的偏移引起的潜在失真的视觉图像。当阈值不以0 V为中心时，对称输入会导致输出模式不对称。

图3：偏移阈值对占空比的影响：较高的偏移会提高逻辑电平触发点。

百分之五十的占空比输入可产生《50％的关税=“”cycle =“”outputs，=“”as =“”=“”“high”=“”time =“”difference =“”》 50％》 3 -t 2 ）可以小于整个周期的50％（2 * ［t4-t1］）。这种失真表现为随机数据流中的符号间干扰或时钟信号的占空比失真。失真水平取决于输入信号的边沿速率（t R -t 1 ），以及偏移值。当使用偏移接收器时，必须考虑这种影响，并且可以限制最大有用信令速率。

德州仪器（TI）的M-LVDS系列器件支持Type-1和Type-2操作。 TI提供的Type-2接收器设计有占空比校正电路，可预测潜在的占空比失真，并预先对输出信号进行失真，以最大限度地减少占空比的变化。通过查看一些典型的时钟频率可以量化产生的效果。

AdvancedTCA和M-LVDS

认识到它的好处，PICMG指定使用M-LVDS作为AdvancedTCA系统中同步信号的电信号标准。支持高达100 MHz的同步信号。可以检查一对标准时钟频率，以查看并入SN65MLVD206（2型，100 MHz M-LVDS接收器）的占空比校正的有效性。表1比较了使用Type-1和Type-2设备引入的失真。 SN65MLVD201用于演示Type-1接收器性能。

表1：由于偏移阈值引起的占空比失真：输入和输出应匹配最小失真。

19.44 MHz和30.72 MHz的时钟频率用于比较。 19.44 MHz是SONET系统时钟信号，而30.72 MHz是WCDMA时钟频率。对于每个频率，检查高压摆率输入和低压摆率输入。高压摆率信号的峰峰值电压为800 mV，与M-LVDS驱动器在短走线长度上的预期相似。使用了2-ns的高压摆全范围转换时间，再次讨论了M-LVDS驱动器在短走线长度上的预期。低压摆率电压摆幅降至400 mV，而转换时间减慢至4 ns，这可能是重载背板系统末端的预期值。

类型的结果-1接收器并不奇怪。 50％占空比输入产生50％占空比输出（0.5％以内）。 SN65MLVD201引入的失真很小。表1的下半部分重点介绍了TI Type-2接收器中包含的占空比补偿的优势。最后一列显示了预期的占空比（假设接收器偏移为100 mV，并考虑了输入信号特性）。较高的压摆率可最大限度地降低占空比失真的影响。测量的占空比列表明，对于测试的频率和测试条件，占空比失真小于1％。在SN65MLVD206的输出端可以非常精确地重建50％的占空比输入，同时仍然可以获得标准化故障保护的优势。

M-LVDS故障安全接收器提供了一系列强大的功能，可用于设计能够在故障条件下均匀运行的稳健系统。这些接收器可以使用标准LVDS型驱动器（需要故障保护）或本机M-LVDS系统（如AdvancedTCA）集成到设计中。 M-LVDS提供的标准化方法可以更可靠地使用来自不同供应商的设备。通过TI类型2接收器中使用的占空比补偿，可以实现故障保护的优势，而不会出现明显的信号失真。可以提供确定性输出，对信号完整性的影响最小。 -