ADI深度丨五个问题,闹明白低压差分信号隔离那些事

ADI深度丨五个问题,闹明白低压差分信号隔离那些事

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。

图1. 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。

图2. 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。

图3a. ADN4651的眼图

图3a. ADN4651的眼图

图3b. 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)。

为了完整地估算特定误码率下的总抖动(TJ@BER),RJ与DJ可以依据测量得到的TIE分布所适配的模型来计算。此类模型中的一种是双狄拉克模型,它假设高斯随机分布与双狄拉克δ函数卷积(两个狄拉克δ函数之间的分隔距离对应于确定性抖动)。对于具有明显确定性抖动的TIE分布而言,该分布在视觉上近似于此模型。有一项困难是某些确定性抖动会对高斯分量带来影响,亦即双狄拉克函数可能低估确定性抖动,高估随机抖动。然而,两者结合仍能精确估计特定误码率下的总抖动。

RJ规定为高斯分布模型中的1 σ rms值,若要推断更长的运行长度(低BER),只需选择适当的多σ,使其沿着分布的尾端移动足够长的距离(1×10-12位错误需要14 σ)即可。接着加入DJ以提供TJ@BER的估计值。对于信号链中的多个元件,与其增加会导致高估抖动的多个TJ值,不如将RJ值进行几何加总,将DJ值进行代数加总,这样将能针对完整的信号链提供更为合理的完整TJ@BER估计。

ADN4651的RJ、DJ和TJ@BER全都是分别指定的,依据多个单元的统计分析提供各自的最大值,藉以确保这些抖动值在电源、温度和工艺变化范围内都能维持。

不同LVDS接口如何仰赖精密数据跃迁?

典型接收器可以容许10%至20% UI的抖动,举例来说,利用ADN465x隔离外部LVDS端口将能使工业背板在PLC与I/O模块间的缆线上安全地延伸。最大缆线距离取决于容许数据速率、缆线结构以及连接器类型,但在较低数据速率(例如200 Mbps)且使用高速连接器和适当的屏蔽双绞线时,数米缆线长度是有可能实现的。

ADC接口通常利用LVDS进行信号源同步数据发送。这意味着LVDS时钟会与其他LVDS通道上的一个或多个数据位流并行发送。ADN4650的低通道间和器件间偏斜(分别为≤300 ps和≤500 ps)对此很有利。这些偏斜值说明了多个通道上的高至低(或低至高)传播延迟之间的最大差异,从统计意义上保证了所有ADN4650器件在电源、温度和工艺变化范围内的性能。在上升和下降时钟沿上均进行数据传输以实现双倍数据速率(DDR) 时(某些转换器会利用DDR来提高输出带宽),≤100 ps的低脉冲偏斜支持时钟同步。

ADC采样时钟可能需要加以隔离,以便将使用外部时钟源的模拟前端成功地完全隔离;举例来说,为一组多重数据采集通道同时提供时钟信号。这对任何隔离器来说都是挑战,因为时钟上的任何抖动都会直接增加到孔径抖动上,进而降低测量质量。同时钟源一样,LVDS信号链中用于时钟分配的器件,例如扇出缓冲器,通常都会将此抖动规定为加性相位抖动。这意味着输入时钟的相位噪声会与输出时钟的相位噪声进行比较,并将其差值在相关频率范围(一般为12 kHz至20 MHz)上进行积分。

ADN465x系列本质上属于集成隔离功能的LVDS缓冲器,所以同样的观点也适用于分析对ADC采样的影响。使用ADN465x时,确保典型加性相位抖动只有376 fs,这样即使增加电流隔离,也能维持原始测量质量,因为增加隔离可以消除处理器端数字电路中的噪声。

在采样时钟被隔离的情况下,600 Mbps的无错误传输、与300 MHz时钟同步以及最高ADC性能和分辨率,已经通过参考电路CN-0388中的AD7960(18位、5 MSPS、SAR ADC)加以验证,如图4所示。

图4.用于AD7960和SDP-H1的ADN4651隔离电路

图4.用于AD7960和SDP-H1的ADN4651隔离电路

利用能够透明隔离模拟前端的转接卡,将ADC电路板与高速SDP-H1评估平台之间的现有ADC评估平台进行隔离。软件没有更动,利用精密模拟信号源对数据手册规格所做的评估确认其具有与非隔离平台相同的性能。

还有哪些应用可以使用LVDS隔离?

隔离式模拟前端或隔离式工业背板是两个很有用的应用范例,可以很好地展示LVDS隔离所提供的机会,但此技术还有很多其他应用。送到平板显示器的视频信号通常使用LVDS信号,而HDMI®信号使用类似的差分信号共模逻辑(CML)。这些通常不需要隔离,但是对于医疗成像或工业PC中的外部显示端口之类的应用而言,电流隔离可以保护人体或设备。