MAX9247：27位、2.5MHz - 42MHz直流平衡LVDS串行器的全方位解析

在當今數(shù)字化的時代，數(shù)字視頻傳輸技術(shù)不斷發(fā)展，對于高效、穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)傳輸需求日益增長。MAX9247作為一款關(guān)鍵的數(shù)字視頻并行 - 串行轉(zhuǎn)換器，在眾多應用領域中發(fā)揮著重要作用。本文將對MAX9247進行深入剖析，為電子工程師們提供詳細的技術(shù)參考。

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一、產(chǎn)品概述

MAX9247是一款能夠?qū)?7位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流的數(shù)字視頻并行 - 串行轉(zhuǎn)換器。它可以對18位視頻數(shù)據(jù)和9位控制數(shù)據(jù)進行編碼和復用，降低了串行數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)使能輸入（DE_IN）決定了何時對視頻或控制數(shù)據(jù)進行串行化處理。

該器件可與MAX9248/MAX9250解串器配對，形成完整的數(shù)字視頻串行鏈路，互連方式可以是可控阻抗的PCB走線或雙絞線電纜。其采用的專有數(shù)據(jù)編碼技術(shù)不僅降低了電磁干擾（EMI），還實現(xiàn)了直流平衡，這使得接口的發(fā)送端和接收端能夠通過交流耦合實現(xiàn)隔離。LVDS輸出內(nèi)部端接100Ω電阻。對于工作頻率低于35MHz的情況，MAX9247也可以與MAX9218解串器配對使用。

此外，MAX9247的ESD耐受性符合ISO 10605標準，接觸放電可達±10kV，空氣間隙放電可達±30kV。它采用+3.3V核心電源供電，并具有單獨的輸入電源，可與1.8V至3.3V的邏輯電平接口。該器件提供48引腳LQFP封裝，工作溫度范圍有-40°C至+85°C和-40°C至+105°C兩種可選。

二、應用領域

• 導航系統(tǒng)顯示器：在汽車導航系統(tǒng)中，需要快速、穩(wěn)定地傳輸視頻數(shù)據(jù)，MAX9247能夠滿足其對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅_保導航畫面的清晰顯示。
• 車載娛樂系統(tǒng)：為乘客提供高質(zhì)量的視頻娛樂體驗，保證視頻數(shù)據(jù)的準確傳輸，減少卡頓和干擾。
• 攝像機：在監(jiān)控、安防等領域的攝像機中，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的高效傳輸，確保圖像的實時性和清晰度。
• 液晶顯示器（LCD）：為LCD提供穩(wěn)定的視頻信號，保證顯示效果。

三、產(chǎn)品特性

3.1 預加重技術(shù)

預加重功能可以改善輸出眼圖和信號完整性。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，通過增加額外的電流，使輸出信號在轉(zhuǎn)換點的幅度增加40% - 50%，從而實現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換速度和更好的信號質(zhì)量。

3.2 專有數(shù)據(jù)編碼

采用專有數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，實現(xiàn)直流平衡并降低EMI。在視頻消隱期間發(fā)送控制數(shù)據(jù)，且5個控制數(shù)據(jù)輸入具有單比特錯誤容錯能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.3 可編程相移LVDS信號

可編程相移LVDS信號技術(shù)進一步降低了EMI，減少了信號干擾。

3.4 輸出共模濾波器

集成的輸出共模濾波器可以減少EMI，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.5 長距離傳輸能力

能夠驅(qū)動超過10m的屏蔽雙絞線（STP）電纜，適用于長距離的數(shù)據(jù)傳輸應用。

3.6 寬參考時鐘容差

具有±2%的寬參考時鐘容差，對時鐘信號的要求相對寬松，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.7 ESD保護

符合ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2 Level 4 ESD保護標準，有效保護器件免受靜電干擾。

3.8 靈活的電源接口

單獨的輸入電源允許與1.8V至3.3V的邏輯電平接口，增強了器件的通用性。

3.9 小尺寸封裝

采用節(jié)省空間的LQFP封裝，適合在空間有限的應用場景中使用。

3.10 寬工作溫度范圍

支持-40°C至+85°C和-40°C至+105°C的工作溫度范圍，能夠適應不同的環(huán)境條件。

四、訂購信息

其中，“+”表示無鉛/符合RoHS標準的封裝，“/V”表示汽車級合格產(chǎn)品。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于正確使用和保護器件至關(guān)重要。MAX9247的絕對最大額定值包括電源電壓、引腳電壓、功耗等參數(shù)。例如，VCC_ 到GND的電壓范圍為 - 0.5V至 + 4.0V，各引腳的電壓也有相應的限制。同時，器件的連續(xù)功耗在TA = + 70°C時為1666.7mW，超過該溫度需要進行降額處理。

5.2 直流電氣特性

詳細介紹了單端輸入和LVDS輸出的各項參數(shù)，如高電平輸入電壓、低電平輸入電壓、輸入電流、輸入鉗位電壓、差分輸出電壓、共模電壓等。這些參數(shù)的確定有助于工程師在設計電路時確保器件的正常工作。例如，在不同的VCCIN電壓下，高電平輸入電壓和低電平輸入電壓的范圍有所不同，工程師需要根據(jù)實際情況進行合理設置。

5.3 交流電氣特性

包括時鐘周期、時鐘頻率、時鐘占空比、輸出上升時間、輸出下降時間、輸入建立時間、輸入保持時間、串行器延遲、PLL鎖定時間、掉電延遲、峰 - 峰輸出抖動、峰 - 峰輸出偏移電壓等參數(shù)。這些參數(shù)對于保證數(shù)據(jù)的準確傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。例如，時鐘頻率的范圍決定了器件的工作速度，而PLL鎖定時間則影響了系統(tǒng)的啟動時間。

六、引腳描述

MAX9247的引腳具有不同的功能，包括電源引腳、輸入引腳和輸出引腳等。以下是一些主要引腳的功能介紹：

• GND：輸入緩沖器電源和數(shù)字電源地。
• VCCIN：輸入緩沖器電源電壓，需要通過0.1μF和0.001μF的電容并聯(lián)旁路到GND。
• RGB_IN[17:0]：LVTTL/LVCMOS紅、綠、藍數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入，在DE_IN為高電平時，18位數(shù)據(jù)在PCLK_IN的上升沿被加載到輸入鎖存器。
• CNTL_IN[8:0]：LVTTL/LVCMOS控制數(shù)據(jù)輸入，在DE_IN為低電平時，控制數(shù)據(jù)在PCLK_IN的上升沿被鎖存。
• DE_IN：LVTTL/LVCMOS數(shù)據(jù)使能輸入，高電平選擇RGB_IN[17:0]進行鎖存，低電平選擇CNTL_IN[8:0]進行鎖存。
• PCLK_IN：LVTTL/LVCMOS并行時鐘輸入，用于鎖存數(shù)據(jù)和控制輸入，并提供PLL參考時鐘。
• PRE：預加重使能輸入，驅(qū)動PRE為高電平可啟用預加重功能。
• OUT+和OUT -：LVDS串行數(shù)據(jù)輸出，分別為非反相和反相輸出。

七、詳細工作原理

7.1 數(shù)據(jù)編碼

MAX9247在工作時，當數(shù)據(jù)使能輸入DE_IN為高電平時，對18位并行視頻數(shù)據(jù)RGB_IN[17:0]進行串行化；當DE_IN為低電平時，對9位并行控制數(shù)據(jù)CNTL_IN[8:0]進行串行化。RGB視頻輸入數(shù)據(jù)使用2個開銷位EN0和EN1進行編碼，形成20位的串行字；控制輸入映射到19位并使用1個開銷位EN0進行編碼，同樣得到20位的串行字。這種編碼方式不僅降低了EMI，還保證了串行電纜上的直流平衡。

7.2 控制數(shù)據(jù)映射

控制數(shù)據(jù)輸入C0至C4在串行控制字中各映射為3位，在解串器端，通過相同狀態(tài)的2或3位來確定恢復位的狀態(tài)，從而實現(xiàn)對C0至C4的單比特錯誤容錯。控制數(shù)據(jù)輸入C5至C8各映射為1位。

7.3 過渡時序

過渡字需要一定的互連帶寬，并會取代控制數(shù)據(jù)。因此，在DE_IN變?yōu)楦唠娖角暗膬蓚€時鐘周期、視頻階段以及DE_IN變?yōu)榈碗娖胶蟮膬蓚€時鐘周期內(nèi)，控制數(shù)據(jù)不被采樣。在過渡和視頻階段，最后采樣的控制數(shù)據(jù)被鎖存在解串器的控制數(shù)據(jù)輸出端；在過渡和控制階段，視頻數(shù)據(jù)被鎖存在解串器的RGB數(shù)據(jù)輸出端。

八、應用信息

8.1 AC - 耦合優(yōu)勢

AC - 耦合可以將共模電壓提高到電容器的額定電壓。使用兩個電容器即可實現(xiàn)隔離，但在串行器輸出端和解串器輸入端各使用兩個電容器，當電纜的任一端短路到高電壓時，能夠提供更好的保護。AC - 耦合還可以阻擋低頻接地偏移和共模噪聲。MAX9247串行器也可以與MAX9248/MAX9250解串器進行直流耦合。

8.2 AC - 耦合電容器選擇

根據(jù)并行時鐘頻率來計算AC - 耦合電容器的值。對于時鐘頻率低于18MHz的應用，建議使用0.1μF的電容器。

8.3 頻率范圍設置

通過RNG[1:0]輸入選擇MAX9247串行器的工作頻率范圍，外部時鐘必須在該范圍內(nèi)才能正常工作。不同的RNG[1:0]組合對應不同的并行時鐘頻率范圍和串行數(shù)據(jù)速率。

8.4 端接

MAX9247集成了100Ω輸出端接電阻，該電阻可以抑制傳輸線阻抗與解串器輸入端接電阻之間的不匹配所產(chǎn)生的反射噪聲。當PWRDWN為低電平或電源關(guān)閉時，輸出端接電阻被切換掉，LVDS輸出呈高阻抗狀態(tài)。

8.5 共模濾波器

集成的100Ω輸出端接電阻由兩個50Ω電阻串聯(lián)組成，電阻的連接點連接到CMF引腳，可用于連接可選的共模濾波電容器。將濾波電容器連接到靠近MAX9247的地，可以將共模開關(guān)電流分流到地，從而降低EMI。

8.6 LVDS輸出預加重

MAX9247具有預加重模式，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間，額外的電流會被添加到輸出端，使輸出信號在轉(zhuǎn)換點的幅度增加40% - 50%。預加重有助于實現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換速度、更好的眼圖和改善信號完整性。通過將PRE驅(qū)動為高電平可以啟用預加重功能。

8.7 掉電和關(guān)機

將PWRDWN驅(qū)動為低電平會停止PLL，切換掉集成的100Ω輸出端接電阻，并使輸出對地和差分呈高阻抗狀態(tài)。當PWRDWN ≤ 0.3V且所有LVTTL/LVCMOS輸入 ≤ 0.3V或 ≥ VCCIN - 0.3V時，電源電流可降低到50μA或更低。將PWRDWN驅(qū)動為高電平會使PLL鎖定到PCLK_IN，并切換接入100Ω輸出端接電阻。在PLL鎖定之前，LVDS輸出不會被驅(qū)動。

8.8 PLL鎖定時間

PLL鎖定時間由內(nèi)部計數(shù)器設置，為17,100個PCLK_IN周期。為了滿足鎖定時間規(guī)范，電源和時鐘必須保持穩(wěn)定。

8.9 輸入緩沖器電源

單端輸入（RGB_IN[17:0]、CNTL_IN[8:0]、DE_IN、RNG0、RNG1、PRE、PCLK_IN和PWRDWN）由VCCIN供電。VCCIN可以連接到1.71V至3.6V的電源，允許具有VCCIN標稱擺幅的邏輯輸入。如果在給VCC供電時未給VCCIN供電，輸入將被禁用，PWRDWN將被內(nèi)部驅(qū)動為低電平，使器件進入掉電狀態(tài)。

8.10 電源供應順序

MAX9247和MAX9248/MAX9250視頻鏈路可以通過多種方式上電。最佳方法是在電源上升期間以及MAX9247的PCLK_IN和MAX9248/MAX9250的REFCLK穩(wěn)定時，將MAX9247和MAX9248都保持掉電狀態(tài)。在MAX9247和MAX9248/MAX9250的所有電源（包括PCLK_IN和REFCLK）穩(wěn)定后，先給MAX9247上電，等待至少MAX9247的tLOCK（或17100 x tT）時間以確保鏈路上有活動，然后再給MAX9248上電。

8.11 電源電路和旁路

MAX9247具有隔離的片上電源域。數(shù)字核心電源（VCC）和單端輸入電源（VCCIN）相互隔離，但具有公共接地（GND）。PLL有單獨的電源和接地（VCCPLL和PLLGND），LVDS輸入也有單獨的電源和接地（VCCLVDS和LVDSGND）。接地通過二極管連接進行隔離。每個VCC、VCCIN、VCCPLL和VCCLVDS引腳都應通過高頻、表面貼裝陶瓷0.1μF和0.001μF的電容并聯(lián)旁路到地，且最小電容應靠近電源引腳。

8.12 LVDS輸出

LVDS輸出是一個電流源，電壓擺幅與端接電阻成正比。輸出額定差分負載為100Ω ± 1%。

8.13 電纜和連接器

LVDS互連通常具有100Ω的差分阻抗，應使用具有匹配差分阻抗的電纜和連接器，以最小化阻抗不連續(xù)性。雙絞線和屏蔽雙絞線電纜相比帶狀電纜具有更好的信號質(zhì)量，并且由于磁場抵消效應，產(chǎn)生的EMI更少。平衡電纜以共模方式拾取噪聲，LVDS接收器可以將其抑制。

8.14 電路板布局

為了防止串擾，應將LVTTL/LVCMOS輸入和LVDS輸出分開。建議使用四層PCB，分別為電源層、接地層和信號層。

8.15 ESD保護

MAX9247的ESD耐受性符合IEC 61000 - 4 - 2、人體模型、機器模型和ISO 10605標準。不同標準下的ESD測試電路和耐受電壓不同，例如，在IEC 61000 - 4 - 2標準下，LVDS輸出的接觸放電耐受電壓為±8kV，空氣間隙放電耐受電壓為±15kV。

九、總結(jié)

MAX9247作為一款高性能的數(shù)字視頻并行 - 串行轉(zhuǎn)換器，具有多種優(yōu)秀的特性和功能，適用于多種應用領域。在設計過程中，工程師需要充分了解其電氣特性、引腳功能和工作原理，合理選擇外圍元件和設置參數(shù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，注意電路板布局、ESD保護等方面的問題，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。你在使用MAX9247的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。