SN65LVD32B的有源故障保護電路特性

差分式數(shù)據(jù)線路接收器在沒有輸入信號的情況下，會受噪聲影響。這種情況發(fā)生在總線驅(qū)動器被關(guān)閉或連接電纜損壞和斷開的時候。通常，這個問題用外部電阻網(wǎng)絡(luò)在未被信號驅(qū)動的輸入引腳上施加固定值偏壓來解決。除了外部元件的成本之外，這種辦法會降低輸入信號的幅度并減小差分噪聲容限。

故障保護功能將在總線懸空或斷開的條件下驅(qū)動數(shù)據(jù)接收器的輸出到一個確定的狀態(tài)。然而，許多現(xiàn)有的差分式接收器的故障保護功能被限制在開路條件下或某種工作條件下。LVDS32B的有源故障保護功能則不受現(xiàn)有解決方案中所見到的限制條件的限制。本文描述了一些現(xiàn)有的故障保護解決方案，目前的故障保護解決方案之間的差別以及使用有源故障保護的優(yōu)點。

有源故障保護

當(dāng)有效的輸入信號不存在時，有源故障保護電路使接收器輸出一個確定值。沒有有源故障保護裝置的接收器將會隨著輸入差分噪聲而振蕩。正如前面所提到的，解決這個問題的一種技術(shù)是給外部總線施加偏置，如圖1所示。這種辦法在沒有有效信號的情況下保持一個直流偏置。然而，偏置網(wǎng)絡(luò)的存在會導(dǎo)致驅(qū)動器輸出回路電流的不平衡。這會使輸出信號失真，并且可能減小送到接收器的輸入信號幅度。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時，輸出受輸入噪聲影響的可能性就增加了。因此，人們希望提供一種正常工作時對輸入信號影響最小的有源故障保護功能。

現(xiàn)有的集成式故障保護手段依靠集成在接收器內(nèi)部的偏置電流源來實現(xiàn)。如圖2所示，偏置電流源提供了一個流過終端電阻的電流。這樣可以確保當(dāng)有效的輸入信號不存在時，終端電阻上能夠保持一個直流電壓。圖2中的接收器使用了一個上拉和一個下拉電流源來保持終端電阻上的直流偏置。其它集成式解決方案，比如LVDS32的非B版本，它們在兩個輸入引腳上都使用了上拉電阻，以使每一個節(jié)點電壓都偏置到Vcc。通過對這點的邏輯狀態(tài)的檢測，將輸出驅(qū)動到一個確定的狀態(tài)。

目前的集成式故障保護解決方案所使用的小偏置電流不會顯著地影響輸入信號的大小。不過，現(xiàn)有的解決方案的一個缺點是：故障保護偏置電流不能伴隨外部施加的共模電壓產(chǎn)生相應(yīng)的差分電壓。提高偏置電流可改善這一點，但會導(dǎo)致在正常工作期間有額外的總線負載。另外，分別上拉兩個差分信號所產(chǎn)生的偏置增加了接收器轉(zhuǎn)換所需的輸入信號的幅度。這個偏置還對脈沖延時（pulse skew）有影響，也就是接收器從低電平到高電平轉(zhuǎn)換所需時間和從高到低轉(zhuǎn)換所需時間之間會有差異。

LVDS32B所采用的有源故障保護不是依靠偏置電路，而是依靠監(jiān)測接收器輸入引腳上的差分電壓的窗口比較器電路。當(dāng)輸入差分電壓小于80mV時，窗口比較器就能檢測到，并驅(qū)動輸出達到一個邏輯高態(tài)。由于這種新型有源故障保護不需要外部電阻偏置網(wǎng)絡(luò)或用來產(chǎn)生偏置的內(nèi)部偏置電流源，因此，它既不影響接收器的輸入閾值也不會對總線負載造成明顯影響。窗口比較器工作在接收器的整個共模輸入范圍內(nèi)。因此，有源故障保護即使有外部施加的共模電壓也能工作。

有源故障保護操作

圖3顯示了LVDS32B的具有有源故障保護功能的一個接收器通道。它包括一個可以響應(yīng)高速輸入差分信號的主接收器。同時在輸入端上還有兩個故障保護接收器，它們構(gòu)成一個窗口比較器。窗口比較器的響應(yīng)比主接收器慢得多，它用以檢測輸入差分信號低于80mV時的情況。窗口比較器的輸出經(jīng)一個600ns的故障保護定時器濾波。當(dāng)FAILSAFE有效時，故障保護邏輯驅(qū)動器將主接收器的輸出置為邏輯高電平。

在正常操作下，主接收器跟蹤輸入信號。當(dāng)輸入信號改變極性且滯后變化超過50mV時，主接收器將轉(zhuǎn)換狀態(tài)。每當(dāng)主接收器轉(zhuǎn)換狀態(tài)，故障保護定時器復(fù)位并從0開始計時。

窗口比較器持續(xù)監(jiān)測兩個輸入端，以便檢測輸入信號是否有丟失。如果兩個輸入信號之差不超過80mV，窗口比較器的輸出被置為高電平。然后窗口比較器的輸出由故障保護定時器選通。如果定時器計到最大值，而窗口比較器仍檢測到低差分輸入電壓時，那么接收器的輸出就將被置為邏輯高態(tài)。

在正常情況下，當(dāng)定時器計滿時，若輸入差分信號大于100mV，則FAILSAFE無效，如圖4所示。在這里，開始時信號A比信號B高400mV。當(dāng)輸入端極性變化，而且B比A高100mV時，接收器的輸出被置為低電平(如圖4中上面的曲線所示），同時故障保護定時器開始計時。大約600ns之后，定時器的輸出被置為高并使得窗口比較器驅(qū)動FAILSAFE節(jié)點。由于輸入端之間的電壓差是100mV（高于故障保護閾值），所以FAILSAFE無效，且輸出節(jié)點R仍然為低，并繼續(xù)跟蹤輸入信號。

如果故障保護定時器計滿，而且輸入差分電壓小于80mV，則FAILSAFE有效，同時接收器的輸出節(jié)點R被置為邏輯高。這種情況在圖5中有說明。開始時信號A比信號B高400mV。當(dāng)輸入端極性變化，而且B比A高約50mV時，接收器的輸出被置為低，同時故障保護定時器復(fù)位，重新開始計時。當(dāng)定時器計滿，由于信號B僅比信號A高50mV，所以FAILSAFE有效。圖5表明，雖然B高于A，但是接收器輸出節(jié)點R在極性變化后的600ns被置高(通常情況下應(yīng)輸出低）。圖5說明了當(dāng)有效輸入信號丟失后，有源故障保護系統(tǒng)是如何工作的。

當(dāng)故障保護功能起作用后，只要輸入電壓差小于80mV，那么窗口比較器和邏輯門仍然將輸出置為高。如果輸入端差分信號恢復(fù)，則窗口比較器的輸出將被置為低，同時故障保護信號被置為高，然后接收器重新跟蹤輸入信號。圖6說明了這一過程。開始時，信號B比信號A高50mV且FAILSAFE有效（故障保護信號驅(qū)動輸出為高）。然后輸入信號差值增大，使B比A高400mV，這時FAILSAFE變?yōu)闊o效，同時接收器開始跟蹤輸入信號，并驅(qū)動輸出節(jié)點R為低。

如果輸入信號恢復(fù)時主接收器狀態(tài)沒有轉(zhuǎn)換，那么故障保護定時器就不復(fù)位。因此，如果隨后的輸入信號幅度減小，但不改變極性，那么故障保護系統(tǒng)將立即恢復(fù)對接收器輸出的控制。如果輸入有效信號導(dǎo)致了主接收器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，那么故障保護定時器被復(fù)位，直到定時器達到最大值，才會檢測輸入信號是否有丟失。

注意，有源故障保護系統(tǒng)依賴于主接收器的滯后作用(50 mV），以便保持FAILSAFE有效。如果外部噪聲大到使主接收器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，那么故障保護定時器將被復(fù)位，且故障保護功能失效。直到輸入噪聲在整個故障保護定時周期內(nèi)小于接收器的滯后，F(xiàn)AILSAFE才重新有效。

有源故障保護系統(tǒng)適用條件　

在輸入引腳短路(如電纜損壞）、開路(如沒有使用接收器），或者當(dāng)線路驅(qū)動器被禁用或移去后，輸入引腳通過一個終端電阻連接在一起時，有源故障保護器件可確保輸出置為故障保護狀態(tài)。

下面是故障保護功能適用的情況：

輸入引腳開路——在一點到多點或多點到多點結(jié)構(gòu)中，未使用的節(jié)點可與總線分離。對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開路。如果接收器的輸入懸空，那么兩個引腳在內(nèi)部被拉至相同的電位。有源故障保護器件檢測到這個情況并且使接收器的輸出節(jié)點R置為邏輯高。

空閑總線——如果接收器連接到驅(qū)動器呈高阻狀態(tài)(關(guān)閉)的空閑總線上，那么接收器的輸入引腳將通過終端電阻被拉到幾乎相同的電壓。通常這個電壓會接近接收器的差分閾值電壓，任何外部噪聲都可能使接收器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。有源故障保護功能可以檢測到微弱的差分輸入，并輸出一個確定的狀態(tài)。

輸入引腳短路——線路故障（如電纜損壞）可能導(dǎo)致輸入短路。有源故障保護功能檢測到輸入短路并且使輸出變?yōu)楦唠娖健?BR>
有源故障保護功能作用于整個接收器共模輸入范圍，在此范圍內(nèi)，總線偏壓、地失調(diào)電壓和共模噪聲的存在是不容忽視的問題。

圖7說明了接收器的兩個輸入端一起短路的情況。由于FAILSAFE有效，輸出為高。兩個引腳最初保持在地電位，然后共模電壓尖峰耦合到兩個輸入上，但輸出仍為邏輯高，這證明了有源故障保護功能作用于整個共模輸入范圍。

結(jié)論

本文討論了一種新型的有源故障保護解決方案，它克服了以往其它方案中的局限。有源故障保護系統(tǒng)的總線負載非常小，因此不會象外部偏置網(wǎng)絡(luò)那樣降低驅(qū)動器輸出信號的質(zhì)量。有源故障保護系統(tǒng)不要求信號通道有內(nèi)部偏置，因此不會增加接收器轉(zhuǎn)換所需的差分輸入，而一些集成式有源故障保護解決方案則會增加所需的差分輸入。有源故障保護功能作用于整個接收器共模輸入范圍，并保證在存在共模噪聲、直流偏置電壓或系統(tǒng)地失調(diào)電壓的情況下，輸出一個確定的狀態(tài)。