飞兆半导体公司 Jeff Ju/ Pravas Pradhan
引言
消费电子和通信产业正见证着I/O解决方案从并行到高速串行的转变：能够降低成本、简化设计，并具备可延展性，满足全新带宽的要求。这类接口I/O技术的市场潜力巨大，包括移动电话、DVD-RW和高清晰度LCD电视机，而低功耗、低电磁干扰 (EMI) 和高数据吞吐量在这些应用中极为重要。因此，业界一直致力于设计和开发这些串行I/O，以低功耗提供高速的数据速率，并且能改善EMI性能。近年发表的许多文章都说明在串行接口中采用差分信号技术取代单端技术的优点，然而，关于在信号传输层面上推动这个转变的隐藏力量却鲜有谈及。
本文将讨论便携和消费电子产品中串行接口所需达到的关键技术规格，然后分析最常用的差分信令技术结构，并深入讨论功耗、数据吞吐量和EMI之间的折衷平衡，之后介绍"真正电流接口"的概念及名为电流转换逻辑 (Current Transfer Logic；CTL) 的全新信令技术，最后会在原型设计中将CTL与其它竞争技术进行比较，如TTL和低压差分信令技术 (LVDS)。
关键技术规格
数据吞吐量
目前高端手机 LCD 显示器的分辨率已超过 SVGA (800Vx600)，在应用处理器和LCD 模块之间的 RGB 数据吞吐量甚至超越 750Mbps，连同 XGA 模式下的显示刷新频率为 60Hz。现有 TTL 技术在基带控制器和 LCD 模块之间的电压摆幅大(0 至 VCC)，因而限制了逻辑电平过渡之间的信号数据吞吐量，特别是信号边缘变化率受限于 FCC 对 EMI 的需求。这意味着采用 TTL 技术可能需要重新设计基带控制部分，从而造成产品上市时间的大幅推迟。所以，这些问题需要新的信令方案来解决。对于象素高于 300 万的新一代拍照手机来说，拍照时读入基带处理器的RGB 数据吞吐量到达了现有 TTL 技术的瓶颈。消费电子设计也面对相同的挑战，例如高速 DVD-RW (>16X)，在读/写控制器和激光二极管驱动电路 (LDD) 之间需要传输大量的数据。
功率
对于大多数电池供电设备如手机、PDA 和数字相机来说，另一个需要的考虑重要因素是功耗。举例来说，市场上大多数手机电池的功率极限为 750mAH。对于手机用户而言，这意味着电流消耗越少，电池寿命越长。基带设计所采用的接口技术必需具备极低功耗，同时又能满足数据吞吐量要求。设备的动态功耗是负载电容、信号摆幅、电源和数据传输速率的函数，可以如下程式表示：
P=f(C_{L},V_{S},V_{DD},f_{s}) (1)
通过降低信号摆幅，市场上现有的 LVDS、TMDS 和 CML 都能达到极高的数据吞吐量，但这些接口的功耗可能会超出便携式设备的可容范围。式 (1) 的电容负载也是限制这些技术数据吞吐量的主要因素。稍后将遂一讨论这些技术在功耗、数据吞吐量和 EMI 之间的折衷平衡。
噪声容限及驱动能力
在大部分便携和消费电子产品设计中，一般采用的连接媒介为低带宽柔性电缆甚或超低带宽带状电缆。低带宽媒介最终会使信号边缘劣化，在长电缆中还会造成信号衰减和产生反射。例如，在 DVD-RW 和 DVD 多碟机中，DVD-RW 处理器与 LDD之间的距离可能超过 400mm。驱动器输出逻辑与相应接收器输入逻辑阈值之间的差别 (即噪声容限) 非常重要，在减少误码率的同时保持一定的电缆长度驱动能力。对于采用柔性电缆等低带宽媒介的设计来说，较长电缆的驱动能力是必须的，可让设计人员在信号数据路由方面享有更高灵活性。
EMI 和磁化率
传统TTL技术的信号幅度大，而且边缘变化率高，容易引致信号反射和EMI问题。降低TTL信号的边缘变化率能减少信号反射和EMI，但也会限制数据吞吐量，这在采用低带宽柔性电缆传送信号的便携式和消费电子应用中尤其明显。为了获得更高的数据吞吐量，传统TTL逻辑的边缘变化率必须加快，从而导致更高的电流转换速率(dv/dt)以及相应更高的EMI辐射。此外，逻辑电平转换产生的反射不仅会提高误码率，还可能带来额外的电磁辐射。而且对于手机设计等应用，在基带处理器和LCD模块或相机成像处理器之间的柔性电缆周围的RF噪声和其它EMI噪声也非常重要。因此，传统TTL信号技术正面对抗噪声性能挑战，并需要实现超低的误码率。
根据上述情况，低功耗、高吞吐量和超低EMI信号技术对于便携和消费电子应用的设计至关重要。因此出现了诸如TMDS 和 LVDS等差分信号技术，能够提高吞吐量、抗噪声或EMI性能。但这些技术仍需较高的功耗，这对于以电池驱动的设备如手机而言并不理想。
现有解决方案
便携和消费电子设计现有两种主流接口技术，即TMDS和LVDS。本节将就上述关键规格深入研究这两种接口技术，找出当中的折衷平衡。TMDS信号技术主要获HDMI和DVI标准采纳，作为HDTV数字音频/视频链路或PC显示器RGB数据链路，速率高达1.65Gbps。LVDS也广泛用于平板显示器设计中，在LCD控制器和LCD模块 (LCM) 之间传送RGB 数据。两种技术均非常相似，差别只在于采用汇流或源流方式。
TMDS
如图1所示，基于 TMDS的驱动电路通常具有漏极或集电极开路输出，其远端端接到VCC (3.3V)，以实现传输线路阻抗匹配。输出缓冲一般采用尾电流恒定 (典型值为10mA) 的放大器结构，单端信号摆幅通常约为500mV，差分信号摆幅为1000mVp-p。驱动电路输出的共模电压为VCC-0.25V。我们来看看信号是如何通过电缆之类的媒介从驱动电路传送到接收器。TMDS驱动电路根据逻辑输入电平，从远端端接电压的正极或负极获得电流。这会在端接电阻上造成压降，并被接收器感应为逻辑“1”或“0”，这取决于哪条线路汇集电流，另一条线路将被50 ohm端接电阻拉升到Vcc。因此，这个50 ohm端接电阻不仅用作保持信号完整性的匹配电阻 (RT=Z0)，也同时承担了产生逻辑“0”压降的工作。这里的Z0是电缆或迹线的特征阻抗。该阻值对于信号完整性和相对于信号幅度的噪声容限都非常重要。 一般标准要求阻值达10% 的容限。为了实现高数据吞吐量传输并保持接收器具有满意的噪声容限，TMDS链路的信号上升/下降转换时间可达75ps。这个高边缘变化率肯定会产生极高速的电流切换，并随着数据吞吐量的增加而影响EMI。因此，TMDS主要用于数字YCbCr视频信号等应用的高速数据传输，但这个高数据吞吐量是以输出驱动电路的高功耗作为代价。EMI的增加是为了得到高数据吞吐量(1.65Gbps) 的另一个代价，并需要通过8b/10b编码技术来减少信号跃迁和取得DC平衡特性。
我们把这种方案简称为“伪电流接口”，因为其驱动电路输出电流需要在接收端转换成电压，才能被正确接收。当然，一旦涉及到电压，寄生电容将明显影响TMDS和 LVDS等I/O接口的数据吞吐量，如物理程式 (2) 所示：
i=C \frac{dv}{dt} (2)
对于驱动电路输出的恒定电流，数据信道中的寄生电容越大，边缘变化率就越低，因而限制了数据吞吐量。因此，数据信道上的寄生电容不仅会增加功耗 (见程式 (1))，而且还会严重限制数据吞吐量。这里的寄生电容包括ESD电容栅极输入电容、电缆电容和接线端/连接器电容。
LVDS
与TMDS不同，LVDS技术的正极和负极线路之间的回路需要稳定的电流 (3.5 mA) (如图2所示)。该电流的方向取决于驱动电路的输入逻辑电平。回路中的3.5 mA电流在接收侧端接电阻 (100 ohm) 上产生一个压降，可被内部接收放大器感应，并按电流的方向将其理解为逻辑“1”或“0”。
同时，如果迹线等传输媒介位置放排得足够近，回路中电流的相对流动会产生相互抵消的磁场。由于LVDS信号边缘变化率 (通常为1V/ns) 比TMDS慢很多 (见图3)，因此值较小，EMI辐射也较小。当然，传统LVDS技术因为边缘变化率较低，所提供的数据吞吐量也较TMDS为低，但却可获得低EMI作为回报。LVDS摆幅还可以进一步降低，在便携和消费电子产品中实现更小的EMI和更低的功耗。然而，这将会影响数据吞吐量、降低噪声容限和削弱电缆驱动能力。
总结
随着视频显示器市场向着高清晰度方向 (超越未来的UXGA水平) 发展，在手机、LCD电视机和PDP等便携和消费电子产品的显示控制器和LCD模块之间的数据吞吐量，已接近现有采用单端TTL技术的瓶颈。针对这些应用，业界需要低功耗、低EMI、高数据吞吐量的差分信号接口技术。遗憾的是，根据上述讨论，现有的差分解决方案无法在这些设计中满足所有关键规格。而这个潜力庞大的市场迫切需要全新的信号接口技术。
本文摘自《世界电子元器件》
