LVDS32B的有源故障保护解决方案

     差分式数据线路接收器在没有输入信号的情况下，会受噪声影响。这种情况发生在总线驱动器被关闭或连接电缆损坏和断开的时候。通常，这个问题用外部电阻网络在未被信号驱动的输入引脚上施加固定值偏压来解决。除了外部元件的成本之外，这种办法会降低输入信号的幅度并减小差分噪声容限。

　　故障保护功能将在总线悬空或断开的条件下驱动数据接收器的输出到一个确定的状态。然而，许多现有的差分式接收器的故障保护功能被限制在开路条件下或某种工作条件下。LVDS32B的有源故障保护功能则不受现有解决方案中所见到的限制条件的限制。本文描述了一些现有的故障保护解决方案，目前的故障保护解决方案之间的差别以及使用有源故障保护的优点。

　　有源故障保护

　　当有效的输入信号不存在时，有源故障保护电路使接收器输出一个确定值。没有有源故障保护装置的接收器将会随着输入差分噪声而振荡。正如前面所提到的，解决这个问题的一种技术是给外部总线施加偏置，如图1所示。这种办法在没有有效信号的情况下保持一个直流偏置。然而，偏置网络的存在会导致驱动器输出回路电流的不平衡。这会使输出信号失真，并且可能减小送到接收器的输入信号幅度。当这种现象发生时，输出受输入噪声影响的可能性就增加了。因此，人们希望提供一种正常工作时对输入信号影响最小的有源故障保护功能。

　　现有的集成式故障保护手段依靠集成在接收器内部的偏置电流源来实现。如图2所示，偏置电流源提供了一个流过终端电阻的电流。这样可以确保当有效的输入信号不存在时，终端电阻上能够保持一个直流电压。图2中的接收器使用了一个上拉和一个下拉电流源来保持终端电阻上的直流偏置。其它集成式解决方案，比如 LVDS32的非B版本，它们在两个输入引脚上都使用了上拉电阻，以使每一个节点电压都偏置到Vcc。通过对这点的逻辑状态的检测，将输出驱动到一个确定的状态。

　　目前的集成式故障保护解决方案所使用的小偏置电流不会显著地影响输入信号的大小。不过，现有的解决方案的一个缺点是：故障保护偏置电流不能伴随外部施加的共模电压产生相应的差分电压。提高偏置电流可改善这一点，但会导致在正常工作期间有额外的总线负载。另外，分别上拉两个差分信号所产生的偏置增加了接收器转换所需的输入信号的幅度。这个偏置还对脉冲延时(PULSE skew)有影响，也就是接收器从低电平到高电平转换所需时间和从高到低转换所需时间之间会有差异。

　　LVDS32B所采用的有源故障保护不是依靠偏置电路，而是依靠监测接收器输入引脚上的差分电压的窗口比较器电路。当输入差分电压小于80mV时，窗口比较器就能检测到，并驱动输出达到一个逻辑高态。由于这种新型有源故障保护不需要外部电阻偏置网络或用来产生偏置的内部偏置电流源，因此，它既不影响接收器的输入阈值也不会对总线负载造成明显影响。窗口比较器工作在接收器的整个共模输入范围内。因此，有源故障保护即使有外部施加的共模电压也能工作。

　　有源故障保护操作

　　图3显示了LVDS32B的具有有源故障保护功能的一个接收器通道。它包括一个可以响应高速输入差分信号的主接收器。同时在输入端上还有两个故障保护接收器，它们构成一个窗口比较器。窗口比较器的响应比主接收器慢得多，它用以检测输入差分信号低于80mV时的情况。窗口比较器的输出经一个600ns的故障保护定时器滤波。当FAILSAFE有效时，故障保护逻辑驱动器将主接收器的输出置为逻辑高电平。

　　在正常操作下，主接收器跟踪输入信号。当输入信号改变极性且滞后变化超过50mV时，主接收器将转换状态。每当主接收器转换状态，故障保护定时器复位并从0开始计时。

　　窗口比较器持续监测两个输入端，以便检测输入信号是否有丢失。如果两个输入信号之差不超过80mV，窗口比较器的输出被置为高电平。然后窗口比较器的输出由故障保护定时器选通。如果定时器计到最大值，而窗口比较器仍检测到低差分输入电压时，那么接收器的输出就将被置为逻辑高态。

　　在正常情况下，当定时器计满时，若输入差分信号大于100mV，则FAILSAFE无效，如图4所示。在这里，开始时信号A比信号B高400mV。当输入端极性变化，而且B比A高100mV时，接收器的输出被置为低电平(如图4中上面的曲线所示)，同时故障保护定时器开始计时。大约600ns之后，定时器的输出被置为高并使得窗口比较器驱动FAILSAFE节点。由于输入端之间的电压差是100mV(高于故障保护阈值)，所以FAILSAFE无效，且输出节点R仍然为低，并继续跟踪输入信号。

　　如果故障保护定时器计满，而且输入差分电压小于80mV，则FAILSAFE有效，同时接收器的输出节点R被置为逻辑高。这种情况在图5中有说明。开始时信号A比信号B高400mV。当输入端极性变化，而且B比A高约50mV时，接收器的输出被置为低，同时故障保护定时器复位，重新开始计时。当定时器计满，由于信号B仅比信号A高50mV，所以FAILSAFE有效。图5表明，虽然B高于A，但是接收器输出节点R在极性变化后的600ns被置高(通常情况下应输出低)。图5说明了当有效输入信号丢失后，有源故障保护系统是如何工作的。

　　当故障保护功能起作用后，只要输入电压差小于80mV，那么窗口比较器和逻辑门仍然将输出置为高。如果输入端差分信号恢复，则窗口比较器的输出将被置为低，同时故障保护信号被置为高，然后接收器重新跟踪输入信号。图6说明了这一过程。开始时，信号B比信号A高50mV且FAILSAFE有效(故障保护信号驱动输出为高)。然后输入信号差值增大，使B比A高400mV，这时FAILSAFE变为无效，同时接收器开始跟踪输入信号，并驱动输出节点R为低。

　　如果输入信号恢复时主接收器状态没有转换，那么故障保护定时器就不复位。因此，如果随后的输入信号幅度减小，但不改变极性，那么故障保护系统将立即恢复对接收器输出的控制。如果输入有效信号导致了主接收器状态转换，那么故障保护定时器被复位，直到定时器达到最大值，才会检测输入信号是否有丢失。

　　注意，有源故障保护系统依赖于主接收器的滞后作用(50 mV)，以便保持FAILSAFE有效。如果外部噪声大到使主接收器状态转换，那么故障保护定时器将被复位，且故障保护功能失效。直到输入噪声在整个故障保护定时周期内小于接收器的滞后，FAILSAFE才重新有效。

　　有源故障保护系统适用条件

　　在输入引脚短路(如电缆损坏)、开路(如没有使用接收器)，或者当线路驱动器被禁用或移去后，输入引脚通过一个终端电阻连接在一起时，有源故障保护器件可确保输出置为故障保护状态。

　　下面是故障保护功能适用的情况：

　　输入引脚开路——在一点到多点或多点到多点结构中，未使用的节点可与总线分离。对于那些只使用了部分通道的多通道接收器，未使用的通道也可能开路。如果接收器的输入悬空，那么两个引脚在内部被拉至相同的电位。有源故障保护器件检测到这个情况并且使接收器的输出节点R置为逻辑高。

　　空闲总线——如果接收器连接到驱动器呈高阻状态(关闭)的空闲总线上，那么接收器的输入引脚将通过终端电阻被拉到几乎相同的电压。通常这个电压会接近接收器的差分阈值电压，任何外部噪声都可能使接收器的状态转换。有源故障保护功能可以检测到微弱的差分输入，并输出一个确定的状态。

　　输入引脚短路——线路故障(如电缆损坏)可能导致输入短路。有源故障保护功能检测到输入短路并且使输出变为高电平。

　　有源故障保护功能作用于整个接收器共模输入范围，在此范围内，总线偏压、地失调电压和共模噪声的存在是不容忽视的问题。

　　图7说明了接收器的两个输入端一起短路的情况。由于FAILSAFE有效，输出为高。两个引脚最初保持在地电位，然后共模电压尖峰耦合到两个输入上，但输出仍为逻辑高，这证明了有源故障保护功能作用于整个共模输入范围。

　　结论

　　本文讨论了一种新型的有源故障保护解决方案，它克服了以往其它方案中的局限。有源故障保护系统的总线负载非常小，因此不会象外部偏置网络那样降低驱动器输出信号的质量。有源故障保护系统不要求信号通道有内部偏置，因此不会增加接收器转换所需的差分输入，而一些集成式有源故障保护解决方案则会增加所需的差分输入。有源故障保护功能作用于整个接收器共模输入范围，并保证在存在共模噪声、直流偏置电压或系统地失调电压的情况下，输出一个确定的状态。