Кварцевые генераторы с дифференциальными выходами LVDS и LVPECL

Статья Владимира Изотова, ведущего инженера-технолога, ООО «НПП «Техно-ПАРК», в журнале «Электронные компоненты» №7/2025

При разработке сложных систем высокоскоростной передачи сигналов возникают проблемы с сохранением достоверности информации и подержанием скорости передачи потока информационных битов.

Существуют разные интерфейсы и формы сигналов передачи информации. К ним относятся КМОП (CMOS), усеченный синус, ТТЛ, дифференциальный сигнал. Наиболее простыми интерфейсами являются первые три из перечисленных. Передача радиочастотной волны при использовании этих интерфейсов происходит по однопроводной линии. При наличии помех в проводнике они передаются в тракт приемного устройства, что может негативно сказаться на работе всего устройства. В качестве более помехозащищенного способа передачи данных выбирается дифференциальный сигнал, который передается по двухпроводной системе передачи. При этом по одному проводнику распространяется неинвертированный сигнал, по другому – инвертированный сигнал. Далее осуществляется инвертирование инвертированного сигнала с последующим сложением. Помеха, возникающая в линии передачи, компенсируется при последующем сложении сигналов.

Принцип работы дифференциальной линии представлен на рис. 1 [1].

Преимуществами такой системы передачи данных является защищенность от шума, низкая чувствительность к внешним факторам.
Кварцевые генераторы также могут быть источниками дифференциальных сигналов. К наиболее часто встречающимся сигналам относятся LVDS (Low Voltage Differential Signaling) и LVPECL (Low Voltage Positive-referenced Emitter-Coupled Logic).

Сравнение этих интерфейсов по размаху рабочего напряжения и напряжения логических уровней представлено на рис. 2 [2].

Процесс формирования радиочастотного сигнала с дифференциальной парой выходов на основе кварцевого генератора включает в себя следующие этапы:
• кварцевый резонатор под действием подаваемого напряжения возбуждает электромагнитную волну;
• дифференциальный усилитель усиливает разницу в напряжении между двумя входными сигналами, обеспечивая выходной высокоскоростной сигнал;
• на выходном этапе усиленное напряжение преобразуется в сигнал прямоугольной формы с помощью транзисторов и резисторов.
Современные технологии производства микроэлектронных компонентов позволяют разместить внутри SMD-корпуса следующие составляющие кварцевого генератора с дифференциальным выходом:
• пластинку пьезокварца (колебательный элемент);
• микросхему для деления и умножения фундаментальной частоты, подстройки частоты выходного сигнала для стабилизации и поддержания требуемого сигнала;
• выходной контур по обеспечению дифференциальной пары сигналов.

Интерфейс LVDS
Одной из особенностей интерфейса LVDS является малый перепад дифференциального напряжения. Как правило, он составляет не более 350–400 мВ; при этом обеспечивается высокая скорость передачи информации и малое энергопотребление.
Дифференциальные интерфейсы, например LVDS, имеют малую чувствительность к шумам, что позволяет получить малый размах напряжения логических уровней. Это достоинство является решающим, так как достижение высокой производительности и минимальной потребляемой энергии драйвера (передатчика) и приемника сопровождается снижением размаха напряжения на входе приемника. Формирование малых перепадов напряжения на выходе передатчика достигается при высоких скоростях передачи информации.
Линия передачи сигнала в LVDS-интерфейсе должна заканчиваться согласованной нагрузкой с импедансом используемого проводника [3]. Это делается для уменьшения интерференции падающего и отраженного радиочастотных сигналов. При отсутствии согласования или при его плохом качестве возникают нелинейные паразитные эффекты в радиочастотном тракте и электромагнитные наводки.

Пример простейшей схемы согласования представлен на рис. 3.

Преимущества LVDS:
• высокая скорость передачи данных (до 650 Мбит/с, в некоторых задачах – до 1 Гбит/с);
• низкое энергопотребление (менее 1,5 мВт);
• низкий уровень шума;
• простота реализации схемы согласования [4].
Однако имеются и недостатки использования кварцевых генераторов с дифференциальным выходом LVDS. Прежде всего, это связано с ограничениями самого интерфейса. Увеличение скорости передачи данных существенно ограничивает дальность действия. Чем больше скорость передачи данных, тем должна быть меньше длина проводника между драйвером (передатчиком) и приемником. Кроме того, при повышении скорости передачи данных повышаются требования к однородности и допустимым искажениям.
Недостатком использования интерфейса является и жесткое требование к длине и сопротивлению проводников в линии передачи данных. Они должны быть одинаковой длины и иметь одинаковое погонное сопротивление, чтобы общее сопротивление проводников было одинаковым.
Перечислим некоторые основные электрические параметры кварцевых генераторов с дифференциальным выходом LVDS:
• диапазон частот: 10–2100 МГц;
• диапазон напряжения питания: 1,8–3,3 В;
• термостабильность частоты: ±25…±100 ppm;
• диапазон рабочих температур: –40…85°С;
• диапазон температур хранения: –55…125°С;
• время нарастания/спада фронтов: не более 1,5 нс;
• выходной нагрузочный резистор: 100 Ом;
• джиттер (диапазон 12 кГц…20 МГц): не более 1 пс;
• симметрия сигнала: 45–55%;
• изменение частоты со временем (старение): ±3 ppm/год;
• наличие функции управления напряжением.

Интерфейс LVPECL
Другим распространенным дифференциальным выходным сигналом кварцевых генераторов является LVPECL (Low Voltage Positive Emitter-Couple Logic) – логика с положительным эмиттером и низким напряжением. Этот интерфейс работает с уровнями напряжения 3,3 и 2,5 В.
Интерфейс LVPECL не только уменьшает энергопотребление и тепловыделение, но и поддерживает целостность, а также скорость сигнала, обеспечивая надежное решение и минимальные искажения для целого ряда высокопроизводительных приложений и устройств.
Скорость передачи информации в LVPECL-интерфейсе достигает 10 Гбит/с. Это значение делает его предпочтительным выбором для многих современных приложений и задач по построению, например, систем Ethernet и Fiber Channel.
LVPECL и его разновидности могут работать на очень высоких частотах, намного превышающих предельное значение 1,5 ГГц. Эта возможность используется в приложениях, требующих сверхскоростной обработки и передачи данных. Технология LVPECL обеспечивает минимальную задержку и пропускную способность данных, что идеально подходит в средах, где микросекундные задержки вносят большое искажение в передаваемый сигнал.
Преимущества использования LVPECL-интерфейса достигаются в том числе благодаря схеме согласования в линии передачи данных. В некоторых случаях согласующие элементы могут представлять собой сложные контуры, каскады с согласующими пассивными элементами. Один из примеров согласования в линии передачи представлен на рис. 4 [5].

Одним из главных недостатков интерфейса является большое энергопотребление. Как ранее упоминалось, приложения и устройства, использующие LVPECL, имеют высокие требований к экранированию и заземлению с целью уменьшения электромагнитных помех. Эта потребность в дополнительном подавлении шума может увеличить сложность и стоимость разработки.

Перечислим некоторые основные электрические параметры кварцевых генераторов с дифференциальным выходом LVPECL:
• диапазон частот: 1,5–2100 МГц;
• диапазон напряжения питания: 2,5–3,3 В;
• термостабильность частоты: ±20…±100 ppm;
• диапазон рабочих температур: –40…85°С;
• диапазон температур хранения: –55…125°С;
• время нарастания/спада фронтов: не более 1,5 нс;
• джиттер (диапазон 12 кГц…20 МГц): не более 1,5 пс;
• симметрия сигнала: 45–55%;
• изменение частоты со временем (старение): ±3 ppm/год;
• наличие функции управления напряжением.

Кварцевый генератор в качестве источника дифференциального сигнала
Существует несколько корпусов, в которых можно реализовать кварцевый генератор как драйвер выходной дифференциальной пары. В качестве примера на рис. 5 приведено исполнение генератора в корпусе 7,0×5,0 мм. Видно, что расположение и количество контактных площадок на печатной плате позволяют подвести к ним инвертированный и неинвертированный дифференциальные выходы.

На сайте компании ООО НПП «Техно-ПАРК» представлены генераторы с дифференциальными выходами (серия OPD и OPL) для интерфейсов LVDS и LVPECL.

Вывод
В современных электронных устройствах и системах важной функцией является передача больших объемов информации без искажений и электромагнитных наводок. Одним из наилучших способов обеспечения целостности сигнала является использование дифференциальной пары сигналов. В качестве наилучшего источника дифференциальных сигналов можно использовать кварцевый генератор с дифференциальным выходом. Преимущества кварцевых генераторов заключаются в высокой повторяемости изделий, миниатюризации корпусов, широком доступном диапазоне параметров и простоте изготовления на конвейерном производстве.

Команда компании ООО НПП «Техно-ПАРК» готова подобрать кварцевый генератор с дифференциальным выходом под технические требования заказчика. Поиск решения проводят высококвалифицированные специалисты с глубоким пониманием механизмов формирования и обработки радиочастотного сигнала.