一种基于交流耦合的LVDS标准的数据传输链路故障监测技术的制作方法

本发明涉及一种链路故障监测技术，特别涉及一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术，属于基于低电压差分信号(lvds)标准的高速数据传输技术领域。

背景技术：

随着数据传输率的不断提高，采用低电压差分信号(lvds)技术的高速数据传输在消费电子、高速计算机外设和电信/网络和汽车电子等系统中得到了越来越广泛的应用。lvds标准是一种小摆幅差分信号技术，具有速度高、功耗低、噪声低、emi小、成本低等优点，因此在非常广泛的应用领域里解决了高速数据传输的速度性、能等瓶颈问题；在技术产业的发展过程中，目前形成了两个lvds标准规范的[1，2]：一个是由美国国家半导体公司(nationalsemiconductorcorp.)主导推出的tia/eia(电讯工业联盟/电子工业联盟)的ansi/tia/eia-644标准；另一个是ieee1596.3标准。

在典型的基于lvds(lowvoltagedifferentialsignal,lvds)标准的数据传输系统中，lvds标准规范定义了故障检测机制，以保障系统工作的稳定性和可靠性。但这些故障机制基本上是基于信号的直流特性的，比如开路、悬空或者短路。为了避免噪声信号，lvds标准也定义了lvds信号的幅度阈值为±100mv。同时基于lvds标准，多种应用接口技术也应运而生，比如显示模组中的mini-lvds接口、mipi接口等等。针对新的系统应用要求，开发具有高可靠性的lvds数据传输系统的信号链路故障监测电路有着重要意义。尤其对于高达gbps的数据传输率，如何快速准确的监测到链路故障，排除系统的信号质量恶化产生的故障，需要深入地研究。

基于lvds标准的数据传输系统中，为了保证数据传输系统的可靠性和稳定性，lvds接收器需要内部或外部的故障检测电路，来监测系统是否处于某些特殊的链路状况或链路故障状态。一旦故障检测电路监测到异常链路状态，接收器将产生故障状态控制信号，直接控制lvds接收电路的输出信号，保证系统输出的数据处于可控的逻辑状态，通常为逻辑高电平，避免系统错误操作。

lvds标准规范的标准定义下面三种链路故障状态：输入开路、输入悬浮、输入短路。针对以上故障链路状态，在过去的应用过程中，出现了三种故障防护电路类型：外部偏置电路、路径中电路和并行电路。

外部偏置故障防护电路由三个外部连接到接收器输入管脚的电阻组成，在这种设计中，当线路未被驱动时，在两个输入管脚之间设置一个正的偏置电压，以便让接收器的输出处于逻辑高电平状态。这种故障防护电路结构简单，广泛用于早期的lvds接收器中。但这种方法存在较多缺陷，如电阻的阻值设计选择变得复杂、增加系统元器件数量、增加接收误码率(ber)、对接收器的灵敏度要求更高，并且对于输入短路故障来说是无效的。

信号路径中故障防护设计类似于外部偏置故障防护方法，但是这里的r1和r2被集成到了lvds接收器中，因此vid上的偏置现已是一个内置的电压源。该电路广泛应用在某些lvds接收器中；采用路径中电路设计，选择r1和r2的电阻值使内部vid偏置电压值处于30mv到50mv之间。即使当输入短路也插入正的vid偏置，这使输出都处于高电平。这种路径中设计克服了外部偏置方法的某些缺点，比如取消了外部电阻、当输入短路时工作等等。但是路径中故障防护方法同时存在以下局限性：

1、对于比较宽的工作电压范围内，不具有设置偏置电压的灵活性；

2、导致不均衡的接收器门限，劣化占空比性能，并增加抖动；

3、“路径中”噪声余量的较低；

4、由于外界的短接电阻和片上电阻的匹配性差，会导致接收器在批量生产时的良率降低。

并行故障防护电路应用于美信(maxim)公司的lvds产品，它克服了前面两种故障防护电路的主要缺点，但并行故障防护方法也具有以下局限性：

1、对于多点或gbps数据率的点对点应用，会增大发送器的共模负载电容，并增加故障防护功能增加激活延时；

2、由于受制造工艺、温度、电源电压范围和电源噪声等因素的影响，vcc-0.3v的比较参考电压难以精确地产生；

3、为了实现输入信号的噪声抑制，还需要在接收比较电路中增加迟滞电路；迟滞电路会增加信号路径上的码间干扰(inter-symbolinterface,isi)，从而增加接收端误码率。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术，解决了现有技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供了一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术，包括输入信号偏置电压建立电路、信号幅度放大电路、参考产生电路、共模调整电路、幅度差分比较电路和逻辑判决积分电路，所述输入信号偏置电压建立电路给交流耦合的输入数据信号建立起合适的直流偏置工作电压，之后将输入数据信号传输给信号幅度放大电路以额定的电压增益进行放大后，所述信号幅度放大电路进一步将放大后的输入数据信号传输给共模调整电路，所述共模调整电路将放大后的输入数据信号的共模电压调整到与幅度电压阈值相匹配的电位后，所述幅度差分比较电路逐位地比较输入数据信号，最后将比较结果积分低通滤波后传输给逻辑判决积分电路，所述逻辑判决积分电路根据积分滤波后的电位进行判决产生出高、低电平信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述参考产生电路输入幅度阈值给信号幅度放大电路，所述参考产生电路输入幅度电压阈值给共模调整电路，所述参考产生电路还输入比较电压阈值给幅度差分比较电路。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述幅度差分比较电路中，当输入数据信号幅度大于参考幅度电压阈值，所述幅度差分比较电路的比较结果是跟随数据极性的方波；方波脉冲打开电流源对初始电压置零电位的电容充电；经过数个脉冲充电后，电容上的电压达到后级逻辑判决积分电路的设定跳变电压后，所述逻辑判决积分电路输出高电平，代表输入数据信号幅度大于参考幅度电压阈值；反之，所述逻辑判决积分电路输出保持低电平，代表输入数据信号参考幅度小于幅度电压阈值，比较结果被低通滤波。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述信号幅度放大电路中，放大电路的负载由mp5a/r1a和mp5b/r1b组成，其等效负载为：

其放大增益为：

作为本发明的一种优选技术方案，在所述共模调整电路和参考产生电路中，经过前级放大的信号vop1/von1通过由mn7a/mn7b差分对组成的放大级实现共模调整；由amp-op3及mn10b、r2a/r2b组成的反馈环路实现了对放大器amp2输出共模电压的调整功能；r2a/r2b通过对输出电压vop2/von2求和获得其共模电压值vcmfb；amp2输出电压为：

vop2＝vcmref+va*α(3)

其中，va是lvds输入信号的幅度，α是从输入级到amp2输出节点vop2的放大倍数；

同时，对于带隙基准源产生的vbg由mn14、mn13a/mn13b、mp9a/mp9b、mp10和r4\r5\r6组成二阶反馈环路，使得vcmref等于vbg；

信号幅度参考电压vswth取决于r4和r5组成的电阻分压网络，即为：

作为本发明的一种优选技术方案，差分比较电路的同相端输入是amp2的同相输出电压vop2，差分比较电路的反向端输入是信号幅度参考电压vswth，mn15a/mn15b、mn16a/mn16b、mn17以及mp122a/mp11b和mp12a/mp12b组成了幅度差分比较电路，比较结果为：

本发明所达到的有益效果是：本发明的一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术与现有技术相比，具有以下的有益效果：

1、本发明的vds技术数据传输的链路故障监测技术受制造工艺偏离、温度变化、电源电压波动和lvds输入信号共模电压变化这些因素影响比较小，具有高的可靠性，同时相对与基于包络检测的技术方案，本技术的检测速度更快，可以在十多个ui(unitinterval)的时间内完成监测判断，特别适用那些需要快速响应的系统；因此，本发明在可靠性、判决速度和应用广泛性方面，具有突出的优势。

2、本发明的vds技术数据传输的链路故障监测技术提出的电路可以实现信号幅度的精确比较，比较的结果用来控制由mp20a/mp20b和mp21b组成的电流源对电容c进行充电，实现一个低通滤波的功能，使的比较结果更加可靠。同时，采用带迟滞电压的施米特反向器，以避免判决噪声，可以防止电源噪声以及工艺偏离的判决器对判决电压的影响。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提出的一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术的功能结构示意图；

图2是本发明提出的一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术的轨到轨的恒定跨导的信号幅度放大电路结构原理图；

图3是本发明提出的一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术的共模调整电路及精确的信号幅度参考电压产生电路结构原理图；

图4是本发明提出的一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术的幅度差分比较电路和逻辑判决积分电路分析电路结构原理图；

图5是本发明提出的一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术的电路功能顺序流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1和图5所示，本发明提供了一种基于交流耦合的lvds标准的数据传输链路故障监测技术，包括输入信号偏置电压建立电路(inputbiassettingcircuits)、信号幅度放大电路(hsampregulator)、参考产生电路(referencegenerator)、共模调整电路(hscmconditioner)、幅度差分比较电路(diffcomparator)和逻辑判决积分电路(slicer)，输入信号偏置电压建立电路给交流耦合的输入数据信号建立起合适的直流偏置工作电压，之后将输入数据信号传输给信号幅度放大电路以额定的电压增益进行放大后，信号幅度放大电路进一步将放大后的输入数据信号传输给共模调整电路，共模调整电路将放大后的输入数据信号的共模电压调整到与幅度电压阈值相匹配的电位后，幅度差分比较电路逐位地比较输入数据信号，最后将比较结果积分低通滤波后传输给逻辑判决积分电路，逻辑判决积分电路根据积分滤波后的电位进行判决产生出高、低电平信号。

在幅度差分比较电路中，当输入数据信号幅度大于参考幅度电压阈值，幅度差分比较电路的比较结果是跟随数据极性的方波；方波脉冲打开电流源对初始电压置零电位的电容充电；经过数个脉冲充电后，电容上的电压达到后级逻辑判决积分电路的设定跳变电压后，逻辑判决积分电路输出高电平，代表输入数据信号幅度大于参考幅度电压阈值；反之，逻辑判决积分电路输出保持低电平，代表输入数据信号参考幅度小于幅度电压阈值，比较结果被低通滤波。

参考产生电路输入幅度阈值给信号幅度放大电路，参考产生电路输入幅度电压阈值给共模调整电路，参考产生电路还输入比较电压阈值给幅度差分比较电路。

实施例2

为了实现以上方案，电路设计时要保证三个关键指标：一是输入信号增益一致性；二是比较器两端输入信号的共模匹配性；三是信号幅度阈值电压的精确性；在下面的电路架构分析和性能指标设计中予以具体说明；

在lvds标准中，定义了输入信号的共模范围是0.05v-2.4v；为了避免输入共模电压的变化对增益的影响，本发明采用了轨到轨的恒定跨导的放大器结构，电路原理图如图2所示，vip/vin是lvds差分输入信号，vop1/von1是放大器差分输出信号；由mn1a/mn1b及mp1a/mp1b组成互补的放大级，再结合有mn2、mn4a/mn4b及mp2、mp4a/mp4b组成的共模电压跟随电流自动切换电路，使得电路在整个输入共模电压范围内具有恒定的跨导；为了降低工艺参数对放大倍数的影响，放大电路的负载由mp5a/r1a和mp5b/r1b组成，其等效负载为：

其放大增益为：

从等式(2)可以看出，vbg是一个与ptv是弱相关的参量，电阻r1的偏离有跨导与负载的抵消，变成较弱的相关。

为了实现幅度差分比较电路两端输入信号具有良好的共模电压匹配性，采用了图3所示电路结构；该电路不但实现了输入数据信号的共模电压调整和与信号幅度电压阈值之间的巧妙匹配，而且还实现了信号幅度电压阈值的精确产生功能。

经过前级放大的信号vop1/von1通过由mn7a/mn7b差分对组成的放大级实现共模调整；由amp-op3及mn10b、r2a/r2b组成的反馈环路实现了对放大器amp2输出共模电压的调整功能；r2a/r2b通过对输出电压vop2/von2求和获得其共模电压值vcmfb；该电压与共模参考电压vcmref进行比较，如果输出共模电压vcmfb比共模参考电压vcmref高，amp-op3的输出电压vo3将通过提高mn8c栅电压vgs使得amp2的尾电流增加，从而降低amp2输出电压vop2/von2的共模电压；反之亦然，amp2输出电压为：

vop2＝vcmref+va*α(3)

其中，va是lvds输入信号的幅度，α是从输入级到amp2输出节点vop2的放大倍数；

同时，对于带隙基准源产生的vbg由mn14、mn13a/mn13b、mp9a/mp9b、mp10和r4\r5\r6组成二阶反馈环路，使得vcmref等于vbg；

信号幅度参考电压vswth取决于r4和r5组成的电阻分压网络，即为：

从等式(4)可见，信号幅度参考电压vswth受ptv等因素的影响很小，具有很高的精确性，精度可达到100ppm的数量级。

幅度差分比较电路(diffcomparator)和逻辑判决积分电路(slicer)的原理图如图4所示，差分比较电路的同相端输入是amp2的同相输出电压vop2，差分比较电路的反向端输入是信号幅度参考电压vswth，mn15a/mn15b、mn16a/mn16b、mn17以及mp122a/mp11b和mp12a/mp12b组成了幅度差分比较电路，比较结果为：

等式(5)中，放大器的增益α由等式(2)可以看出，随ptv的变化很小；同时由于在集成电路中电阻的比值可以实现高的精度，精度可达到0.1％，因此等式(5)中的第二项也可以高精度地实现，受ptv的影响非常少。

本发明的vds技术数据传输的链路故障监测技术提出的电路可以实现信号幅度的精确比较，比较的结果用来控制由mp20a/mp20b和mp21b组成的电流源对电容c进行充电，实现一个低通滤波的功能，使的比较结果更加可靠；同时，采用带迟滞电压的施米特反向器，以避免判决噪声，可以防止电源噪声以及工艺偏离的判决器对判决电压的影响；受制造工艺偏离、温度变化、电源电压波动和lvds输入信号共模电压变化这些因素影响比较小，具有高的可靠性，同时相对与基于包络检测的技术方案，本技术的检测速度更快，可以在十多个ui(unitinterval)的时间内完成监测判断，特别适用那些需要快速响应的系统；因此，本发明在可靠性、判决速度和应用广泛性方面具有突出的优势。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。