LMH1218：低功耗超高清電纜驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在當(dāng)今數(shù)字化視頻飛速發(fā)展的時(shí)代，對(duì)于超高清視頻傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)。TI的LMH1218作為一款低功耗超高清電纜驅(qū)動(dòng)器，集成了重新時(shí)鐘功能，為超高清視頻傳輸提供了可靠的解決方案。本文將深入剖析LMH1218的技術(shù)特性、功能模塊以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、LMH1218概述

1.1 產(chǎn)品特性

• 多標(biāo)準(zhǔn)支持：支持ST - 2082（建議）、ST - 2081（建議）、SMPTE 424M、344M、292M、259M、DVB - ASI、SFF - 8431（SFP +）和10GbE以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)，適用于SMPTE 2022 - 5/6。
• 多速率鎖定：能夠鎖定11.88 Gbps、5.94 Gbps、2.97 Gbps、1.485 Gbps等速率，以及除以1.001的子速率、DVB - ASI（270 Mbps）和10GbE（10.3125 Gbps）。
• 無參考操作：具有快速鎖定時(shí)間，無需外部參考時(shí)鐘和環(huán)路濾波器組件，覆蓋所有支持或選定的數(shù)據(jù)速率。
• 輸出選項(xiàng)豐富：提供75 - Ω和100 - Ω發(fā)射器輸出，集成2:1 MUX輸入和1:2 Demux/Fanout輸出。
• 自動(dòng)功能：基于輸入速率檢測(cè)自動(dòng)調(diào)整壓擺率，具有片上眼圖監(jiān)測(cè)功能。
• 低功耗：功耗低至300 mW，輸入信號(hào)丟失時(shí)自動(dòng)掉電。
• 可編程性：可通過SPI或SMBus接口進(jìn)行編程。
• 小封裝與寬溫度范圍：采用4 - mm × 4 - mm 24 - 引腳WQFN封裝，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 視頻顯示：適用于UHDTV/4K/8K/HDTV/SDTV視頻。
• 視頻處理：用于數(shù)字視頻路由器和交換機(jī)、數(shù)字視頻處理和編輯。
• 廣播與通信：DVB - ASI和分配放大器，以及SMPTE 2022 - 5/6的10GbE應(yīng)用。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

2.1 功能模塊

2.1.1 信號(hào)丟失檢測(cè)器

支持兩個(gè)高速差分輸入端口，內(nèi)部有100 - Ω端接，輸入需交流耦合。信號(hào)檢測(cè)電路在輸入有一定最小幅度的數(shù)據(jù)流量時(shí)斷言，輸入噪聲低于一定幅度時(shí)解除斷言。兩個(gè)輸入各有一個(gè)信號(hào)檢測(cè)電路，閾值可獨(dú)立設(shè)置。

2.1.2 連續(xù)時(shí)間線性均衡器（CTLE）

接收端均衡的關(guān)鍵部分，對(duì)接收的差分信號(hào)進(jìn)行操作，補(bǔ)償傳輸介質(zhì)的頻率相關(guān)損耗。由4級(jí)組成，每級(jí)有兩個(gè)增益控制位，共256種增益設(shè)置。兩個(gè)輸入各有一個(gè)CTLE，一次僅啟用一個(gè)，可補(bǔ)償高達(dá)27 dB的6 GHz損耗，也可旁路以處理低損耗通道。

2.1.3 2:1多路復(fù)用器

將IN0和IN1連接到CDR，默認(rèn)選擇IN0，可通過編程設(shè)置選擇IN1。

2.1.4 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）

由無參考的相位頻率檢測(cè)器（PFD）、電荷泵（CP）、壓控振蕩器（VCO）和輸出數(shù)據(jù)多路復(fù)用器（Mux）組成。嘗試通過調(diào)整VCO來鎖定輸入數(shù)據(jù)速率，支持多種數(shù)據(jù)速率，如11.88 Gbps、5.94 Gbps等。

2.1.5 眼圖監(jiān)測(cè)器（EOM）

片上眼圖監(jiān)測(cè)器，用于分析、監(jiān)測(cè)和診斷鏈路性能。對(duì)均衡后的波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適用于1.485 Gbps及以上的數(shù)據(jù)速率。監(jiān)測(cè)結(jié)果為64 × 64的“命中”矩陣，可用于計(jì)算水平和垂直眼圖開口。

2.1.6 快速EOM

提供通過SPI/SMBus接口讀取EOM數(shù)據(jù)的機(jī)制，SPI接口操作更快，但需等待EOM啟動(dòng)位變低。SMBus和SPI模式下有不同的操作步驟。

2.2 配置與控制

2.2.1 控制引腳

• MODE_SEL：可配置為4種方式，決定設(shè)備工作在SPI或SMBus模式。
• ENABLE：高電平正常工作，低電平使設(shè)備掉電。
• LOS_INT_N：開漏輸出，輸入信號(hào)丟失時(shí)拉低，可配置為中斷。
• LOCK：指示CDR的鎖定狀態(tài)，鎖定時(shí)為高電平。

2.2.2 SMBus模式

通過SMBus接口控制設(shè)備，引腳配置不同，最大工作速度為400 kHz。有特定的讀寫事務(wù)操作，包括起始和停止條件、確認(rèn)信號(hào)等。

2.2.3 SPI模式

SPI總線由MOSI、MISO、SS_N和SCK四個(gè)引腳組成，最大工作速度為20 MHz。有讀寫事務(wù)格式，支持菊花鏈配置，可在多個(gè)LMH1218設(shè)備間串行配置數(shù)據(jù)。

2.3 寄存器映射

寄存器集分為全局寄存器、接收器寄存器、CDR寄存器和發(fā)射器寄存器。全局寄存器包括芯片ID、中斷狀態(tài)等；接收器寄存器用于設(shè)置均衡器增益和信號(hào)檢測(cè)閾值；CDR寄存器控制PLL；發(fā)射器寄存器設(shè)置輸出參數(shù)。

三、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 應(yīng)用信息

支持SPI和SMBus兩種配置模式，設(shè)計(jì)時(shí)需注意高速信號(hào)的PCB布局。SMPTE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行數(shù)字接口有嚴(yán)格要求，如回波損耗、交流耦合電容等。LMH1218內(nèi)置75 - Ω端接可提高信號(hào)完整性。

3.2 典型應(yīng)用

3.2.1 設(shè)計(jì)要求

• 輸入和輸出需使用4.7 μF交流耦合電容。
• 電源引腳使用0.01 μF電容減小電源噪聲。
• 設(shè)備到BNC的距離應(yīng)在1英寸以內(nèi)。
• 高速信號(hào)的走線阻抗需滿足要求，IN0、IN1和OUT1為100 - Ω ± 5%，OUT0為75 - Ω ± 5%。

3.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 確定PCB調(diào)節(jié)器的最大功耗，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的瞬態(tài)CDR功率計(jì)算。
• 計(jì)算熱功耗，使用鎖定功率值。
• 咨詢BNC供應(yīng)商獲取最佳焊接模式。
• 在PCB布局前使用IBIS - AMI模型進(jìn)行簡(jiǎn)單通道仿真。
• 仔細(xì)對(duì)比原理圖與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型連接圖。
• 規(guī)劃PCB布局和元件放置，減少寄生效應(yīng)。

3.3 注意事項(xiàng)

• 遵循SMPTE標(biāo)準(zhǔn)，將BNC放置在離設(shè)備1英寸以內(nèi)。
• 咨詢BNC供應(yīng)商獲取最佳焊接墊。
• 注意推薦的焊膏，確保DAP與GND可靠連接。
• 對(duì)IN0/1和OUT0/1使用控制阻抗。

3.4 初始化設(shè)置

上電或寄存器復(fù)位后，需寫入特定的初始化序列，如啟用通道寄存器、初始化CDR狀態(tài)機(jī)控制等。還可配置選擇性數(shù)據(jù)速率鎖定，以加快鎖定時(shí)間。

四、電源與布局建議

4.1 電源設(shè)計(jì)

• 電源應(yīng)滿足推薦的直流電壓、交流噪聲和啟動(dòng)斜坡時(shí)間要求。
• 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大電流消耗計(jì)算電源提供的最大電流。
• 滿足推薦條件時(shí)，無需特殊電源濾波，僅需標(biāo)準(zhǔn)電源去耦。

4.2 布局指南

• 設(shè)置走線阻抗為75 - Ω ± 5%單端、100 - Ω ± 5%差分。
• 保持相同的信號(hào)參考平面。
• 使用小尺寸表面貼裝元件。
• 使用實(shí)心平面，減少寄生電容。
• 選擇合適的走線寬度，減少阻抗失配。
• 選擇支持特定阻抗的電路板堆疊。
• 使用表面貼裝陶瓷電容。
• 將BNC組件放置在離LMH1218設(shè)備1英寸以內(nèi)。
• 保持互補(bǔ)信號(hào)的對(duì)稱性。
• 均勻布線100 - Ω走線。
• 避免尖銳彎曲，使用45度或徑向彎曲。
• 評(píng)估信號(hào)路徑的幾何變化和阻抗變化。
• 設(shè)計(jì)良好的連接器焊盤，保持75 - Ω阻抗。
• 使用3 - D仿真工具指導(dǎo)布局決策。
• 縮短VDD和接地連接路徑，使用過孔連接引腳和平面。
• 高速走線換層時(shí)，提供至少2個(gè)返回過孔。

五、總結(jié)

LMH1218作為一款功能強(qiáng)大的低功耗超高清電纜驅(qū)動(dòng)器，集成了重新時(shí)鐘功能，為超高清視頻傳輸提供了全面的解決方案。其豐富的特性、靈活的配置和良好的性能，使其在視頻顯示、處理和廣播通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要充分考慮其技術(shù)細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片應(yīng)用的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。