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2019-02-17 22:52 来源:岳塘新闻网

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LVDS隔离的作用 哪些应用可以使用LVDS隔离

电子设计 ? 2019-02-17 08:18 ? 次阅读
  Uber的200多辆自动驾驶测试车主要部署在凤凰城和匹兹堡,乘客通过UberX叫车,就有机会遇上自动驾驶测试车。

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。

在过去,最多数Mb的带宽对转换器接口或工业背板就足够了,所以使用光耦合器便能对串行外设接口(SPI)或RS-485之类的协议进行隔离。数字隔离器改善了此类隔离接口的安全性、性能和可靠性,并且提供集成式隔离和I/O。然而,工业4.0和物联网(IoT)这类趋势要求以更高的速度与精度进行更为普及的测量与控制,因而越来越需要更大的带宽。

电流隔离的需求也随之激增,因为有更多与物理域进行的数字互动需要避免电机和电力系统、操作员、静电放电、以及诸如雷击所造成的浪涌等外部因素所带来的影响。精密测量可能也需要与噪声源(像是更为局部的微型电力电路和高速数字处理等)隔离。

低压差分信号传输(LVDS)是一种在更高性能转换器和高带宽FPGAASIC I/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。

LVDS隔离的作用 哪些应用可以使用LVDS隔离

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。除了TIA/EIA-644-A LVDS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。

LVDS隔离的作用 哪些应用可以使用LVDS隔离

图2. ADN4651 600 Mbps LVDS隔离器框图

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。

LVDS隔离的作用 哪些应用可以使用LVDS隔离

图3. ADN4651的眼图和直方图

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(),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估计。

ADN4651的RJ、DJ和全都是分别指定的,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。

模数转换器(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。

LVDS隔离的作用 哪些应用可以使用LVDS隔离

图4. 用于AD7960和SDP-H1的ADN4651隔离电路

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。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。

作者简介

Conal Watterson博士是ADI公司接口与iCoupler?数字隔离器部的应用工程师,工作地点在爱尔兰利默里克。Conal拥有利默里克大学博士和工程硕士学位,自2010年以来发表了很多关于工业现场总线网络、诊断/可靠性、高速信号和隔离的论文和文章。他目前专注的主题是集成隔离通信解决方案和隔离电源、高速接口以及EMC和隔离标准合规性。

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不断丰富的高速和极高速ADC以及数字处理产品正使过采样成为宽带和射频系统的实用架构方法。半导体技术进....

的头像 电子设计 发表于 10-07 19:01 ? 286次 阅读
如何观察噪声频谱密度及选择最合适的转换器

温度传感器的电路结构及原理

时域温度传感器首先需要将温度信息转换为时间信息,环形振荡器是将温度转换为时域变量的一种方式。根据文献....

的头像 电子技术应用ChinaAET 发表于 10-04 10:25 ? 403次 阅读
温度传感器的电路结构及原理

ADIsimPower提供稳定可靠最适合的优化设计

无论是新手还是专家,DC-DC 转换器设计人员都会面临海量的电源管理1 IC 选择。要找到特性、性能....

的头像 电机控制设计加油站 发表于 10-02 10:10 ? 214次 阅读
ADIsimPower提供稳定可靠最适合的优化设计

基于采用单片机在仪表里用PWM方式D/A的构成原理

在用单片机制作的变送器类和控制器类的仪表中,需要输出1—5V或4—20mA的直流信号的时候,通常采用....

发表于 09-29 16:01 ? 127次 阅读
基于采用单片机在仪表里用PWM方式D/A的构成原理

隔离LVDS的原因及如何隔离

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....

的头像 电子设计 发表于 09-29 09:27 ? 126次 阅读
隔离LVDS的原因及如何隔离

GSPS ADC与DC-DC转换器搭配改善系统能

硅片处理技术的发展(65 nm CMOS、28 nm CMOS等)使高速 ADC 得以跨越 GSPS....

的头像 电子设计 发表于 09-29 07:30 ? 802次 阅读
GSPS ADC与DC-DC转换器搭配改善系统能

MP2359单片降压开关模式转换器内置的功率MOSFET详细数据手册

该MP2359是一个单片降压开关模式转换器内置的功率MOSFET。它在宽的输入电源范围内达到1.2A....

发表于 09-28 08:00 ? 38次 阅读
MP2359单片降压开关模式转换器内置的功率MOSFET详细数据手册

多种开关电源输出滤波器技术介绍及如何影响开关电源转换器的补偿

最近,开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是,它们最大....

的头像 电子设计 发表于 09-27 09:43 ? 365次 阅读
多种开关电源输出滤波器技术介绍及如何影响开关电源转换器的补偿

100mA电感一体化升压同步整流“micro DC/DC”转换器

XCL101系列产品输入电压范围在0.9V~5.5V之间,最适用于用1只碱性电池或镍-金属氢化物电池....

的头像 Torex产品资讯 发表于 09-26 15:08 ? 314次 阅读
100mA电感一体化升压同步整流“micro DC/DC”转换器

RS- 232串行接口标准依然在使用的因素

相比之下,USB是一个相对年轻的通讯标准。1994年开始有7家公司开始开发USB。(其中有三个公司—....

的头像 电子设计 发表于 09-25 08:11 ? 1842次 阅读
RS- 232串行接口标准依然在使用的因素

XC9140系列产品:有切断负载功能升压同步整流DC/DC转换器

XC9140系列产品是对应陶瓷电容,内置了0.6Ω(TYP.)N-沟道驱动晶体管及0.65Ω(TYP....

的头像 Torex产品资讯 发表于 09-23 10:51 ? 214次 阅读
XC9140系列产品:有切断负载功能升压同步整流DC/DC转换器

50mA/200mA线圈一体型DC/DC转换器

工作电压范围在2.0V~6.0V之间。内部设定输出电压,在1.0V~4.0V (Type A/B/C....

的头像 Torex产品资讯 发表于 09-21 15:06 ? 585次 阅读
50mA/200mA线圈一体型DC/DC转换器

PCB上的DC-DC转换器封装的散热方式介绍

要在高功耗负载点(POL)调节器周围成功实现散热管理,就需要选择正确的调节器。今天我们就来说说如何通....

的头像 电子设计 发表于 09-21 08:31 ? 465次 阅读
PCB上的DC-DC转换器封装的散热方式介绍

混合型转换器利于降低EMI和MOSFET应力的软开关特性

然而,在许多新型应用中,比如48 V直接转换应用,IBC中没有必要进行隔离,因为上游48 V或54 ....

的头像 电子设计 发表于 09-21 08:10 ? 349次 阅读
混合型转换器利于降低EMI和MOSFET应力的软开关特性

如何使用C8051F410单片机进行流量仪设计与应用的详细资料概述

设计实现了一种基于C8051F410为核心的高稳定性和高性价比气体流量仪。利用C8051F410单片....

发表于 09-20 15:20 ? 34次 阅读
如何使用C8051F410单片机进行流量仪设计与应用的详细资料概述

高频电子线路教程之正弦波振荡器的

需要外加输入信号的控制,就能自动地将直流电能转换成一定频率和一定幅度的交流电信号的现象,称为自激振荡....

发表于 09-19 11:18 ? 49次 阅读
高频电子线路教程之正弦波振荡器的

获取环境光数据调节LCD的光传感器解决方案

亮是如何亮起来的? 明亮度或光的亮度以勒克斯为单位来计算。 直射阳光计为 100,000 勒克斯,而....

的头像 Duke 发表于 09-17 14:34 ? 1340次 阅读
获取环境光数据调节LCD的光传感器解决方案

为LED供电的四种常用拓扑

在通过较高输入电压驱动少量 LED 时,应选用降压转换器。它通常能够以最小的整体封装尺寸实现极高的效....

的头像 华强LED网 发表于 09-14 15:48 ? 789次 阅读
为LED供电的四种常用拓扑

两款低压DC/DC升压转换器应用电路

无论是驱动白色 LED 背光灯,还是向 RF 和模拟电路、笔记本电脑、平板电脑和其他移动设备供电,所....

的头像 Duke 发表于 09-13 11:53 ? 2072次 阅读
两款低压DC/DC升压转换器应用电路

AI在汽车电子中的应用:如何利用深度学习保证汽车安全

在未来的某个时候,人们必定能够相对自如地运用人工智能,安全地驾车出行。这个时刻何时到来我无法预见;但....

的头像 人间烟火123 发表于 09-12 15:17 ? 1774次 阅读
AI在汽车电子中的应用:如何利用深度学习保证汽车安全
金阳 古盈 漾头镇 洛洲 官升镇
道场村 道庄村 泰宁县 广安门内 一环路南四段