LVDS超高速交叉点开关SCAN90CP02的性能特点及应用分析
作者：徐孟祥，杨飞，张尔扬
引言
低压差分信号传输LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是高速、低电压、低功率、低噪声通用I/O接口标准。这种信号传输使用非常小的信号幅度（典型值为350mV），通过一对平行的PCB走线或平衡电缆传输数据。这对平行差分信号线的电流及电压振幅相反，噪声同时耦合到2条信号线上。由于采用差分输入方式，输入信号只与2个信号的差值有关，因而可将共模干扰抑制掉。另外，由于2条差分信号线距离很近，电流传输方向相反，其磁场相互抵消，电场相互耦合，因而与单线传输相比，电磁辐射小得多。
LVDS已广泛应用于接口器件和现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）中，采用LVDS的系统成功实现了高速互连。然后，并非所有的LVDS I/O接口都有良好的性能。例如，一些ASIC或FPGA的LVDS I/O可能不象标准器件中的LVDS I/O那样适合在PCB板上驱动差分迹线（trace）。由于PCB板布局存在的问题，甚至导致设计良好的标准器件的信号传输质量变差。当用ASIC或FPGA等作为系统核心件时，有时不可能使器件尽可能靠近连接器放置，这样会造成迹线变线、反射增大、损耗增加。为了消除互连中存在的问题，国家半导体公司推出一系列体积小巧的缓冲器。文中将对其LVDS超高速交叉点开关SCAN90CP02的功能及应用进行介绍。
1 SCAN90CP02简介
SCAN90CP02型电路是美国国家半导体公司推出的1.5Gb/s的2x2低压差分信号传输vwin 交叉点开关（crosspoint switch）。其高速数据通路和直通（flow-through）引脚可使电路内部的抖动达到最小。当信号在有损的背板和电缆上传输时，其可配置的预增强功能（0/25/50/100%可选）能克服外部ISI（Inter Symbol Interference，符号间干扰）抖动的影响。其差分输入可连接到LVDS和Bus LVDS信号上，也可与共模逻辑（CML）和低电压正射极耦合逻辑（LVPCL）等信号电平相连。SCAN90CP02要用非块式交叉点结构，可配置为1:2时钟或数据分配器、2:1冗余复用器、交叉功能及用于信号增强和短线隐藏的双缓冲器。图1是SCAN90CP02的内部方框图。
SCAN90CP02集成的IEEE 1149.1（JTAG）和1149.6测试输入电路TAP（Test Access Port）支持单端LVTTL/CMOS和差分LVDS PCB互连的可测试性。这些功能有助于缩短测试时间，降低测试与开发方面的成本。电路采用3.3V电源、CMOS工艺和LVDS I/O，确保其在整个工业级温度范围（-40℃到+85℃）内实现高性能和低功耗。
SCAN90CP02可以真正地消除抖动，从而提高系统的可靠性，使用户能用成本较低的线路实现互连。由于SCAN90CP02设有预增强功能，因此不但可以执行正常的开关功能，而且可作为缓冲器使用，以便将现有的FPGA、ASIC及串行/解串器（SerDes）等的LVDS信号放大。另外，该电路的LVDS输出不支持多站式（multidrop）BLVDS环境。
SCAN90CP02的特点如下：
●每通道的传输速率达1.5Gb/s。
●低功耗，在双中继器模式下，最高速率时的电流仅为70mA。
●低输出抖动。
●可配置的预增强功能（0/25/50/100%）可驱动有损耗的背板和电缆。
●具有直通（Flow-through）引脚引出线。
●LVDS/BLVDS/CML/LVPECL输入，LVDS输出。
●适用IEEE 1149.1和1149.6标准。
●单电源3.3V供电。
●可对输入和输出进行单独控制以降低功耗。
●工业级温度范围（-40℃至±85℃）。
SCAN90CP02采用28引脚LLP封装或32引脚LQFP封装。
电路的预增强功能用于补偿远距离传输或者有损耗的传输媒质。为使功耗最小，电路为每个输出提供了独立的引脚。而且预增功能是可编程设备的。
2 SCAN90CP02的应用
在笔者的设计项目中，需要用高达600Mb/s的速率来传送数据，由发射机和接收机完成数据收发、调制及信道匹配等任务。为检验整个通信系统数据传输质量的好坏，笔者另外设计了一台高速误码率测试仪。该测试仪由3块电路板组成，分别是时钟产生板、发板和收板。在时钟产生板和发板上各用了一块SCAN90CP02，一是可使电路板上的输出信号尽可能靠近连接器，减轻板上核心电路的布线压力，使其位置放置更加自由；二是完成电平转换任务，将LVPECL电平转换成LVDS电平；三是补偿走线的损耗，保证信号有较好的传输质量。该误码仪的框图如图2所示，图中重点突出了SCAN90CP02的连接方式。以下详细介绍该测试仪中的各种电路板。
（1）钟板。时钟板的SCAN90CP02配置成1:2分配器方式，EN0、EN1、SEL0和SEL1都置为低电平。时钟板产生的300MHz时钟信号为LVPECL电平，经SCAN90CP02转换成2路LVDS电平，分别送往误码仪的发板和收板。
（2）发板。发板以Xilinx公司的VirtexII系列XC2V250型电路为核心，由一些外围电路和控制电路组成，完成伪码产生、数据成帧、并串变换等功能。输出的600Mb/s数据和300MHz时钟经SCAN90CP02中断通过连接器送到发射机。SCAN90CP02配置成双通道中断器方式，SEL1置高电平，其他控制端置电平。
（3）收板。收板以Xilinx公司的VirtexII系列XC2V250型电路为核心，由一些外围电路和控制电路组成。实现帧同步、数据恢复、串并变换、比较计数和误码统计显示等功能。
SCAN90CP02的预增强控制端采用拨码开关来选择高、低电平，以增加设计的灵活性。
3 结束语
在许多应用中特别是用高损耗的背板及电缆连接时，一些电路（如ASIC和FPGA等）的驱动能力往往不足，这就需要使用带有预增强功能的电路（如SCAN90CP02）预先将信号放大，这样不但可以保证接收器获得足够的输入信号电压，而且还可增大传输距离，改善信号质量。特别是采用LVDS传输方式时，其抗干扰能力大大增强，同时也降低了电磁辐射。
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