LVDS技術(shù)原理和設(shè)計簡介

摘 要： 介紹了LVDS(低電壓差分信號)技術(shù)的原理和應(yīng)用，并討論了在單板和系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用LVDS時的布線技巧。

關(guān)鍵詞： LVDS PCB設(shè)計

1 LVDS介紹

LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一種低擺幅的差分信號技術(shù)，它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以幾百Mbps的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅(qū)動輸出實現(xiàn)了低噪聲和低功耗。

幾十年來，5V供電的使用簡化了不同技術(shù)和廠商邏輯電路之間的接口。然而，隨著集成電路的發(fā)展和對更高數(shù)據(jù)速率的要求，低壓供電成為急需。降低供電電壓不僅減少了高密度集成電路的功率消耗，而且減少了芯片內(nèi)部的散熱，有助于提高集成度。

減少供電電壓和邏輯電壓擺幅的一個極好例子是低壓差分信號(LVDS)。LVDS物理接口使用1.2V偏置提供400mV擺幅的信號(使用差分信號的原因是噪聲以共模的方式在一對差分線上耦合出現(xiàn)，并在接收器中相減從而可消除噪聲)。LVDS驅(qū)動和接收器不依賴于特定的供電電壓，因此它很容易遷移到低壓供電的系統(tǒng)中去，而性能不變。作為比較，ECL和PECL技術(shù)依賴于供電電壓，ECL要求負的供電電壓，PECL參考正的供電電壓總線上電壓值(Vcc)而定。而GLVDS是一種發(fā)展中的標(biāo)準(zhǔn)尚未確定的新技術(shù)，使用500mV的供電電壓可提供250mV 的信號擺幅。不同低壓邏輯信號的差分電壓擺幅示于圖1。

LVDS在兩個標(biāo)準(zhǔn)中定義。IEEE P1596.3(1996年3月通過)，主要面向SCI(Scalable Coherent Interface)，定義了LVDS的電特性，還定義了SCI協(xié)議中包交換時的編碼;ANSI/EIA/EIA-644(1995年11月通過)，主要定義了LVDS的電特性，并建議了655Mbps的最大速率和 1.823Gbps的無失真媒質(zhì)上的理論極限速率。在兩個標(biāo)準(zhǔn)中都指定了與物理媒質(zhì)無關(guān)的特性，這意味著只要媒質(zhì)在指定的噪聲邊緣和歪斜容忍范圍內(nèi)發(fā)送信號到接收器，接口都能正常工作。 LVDS具有許多優(yōu)點：①終端適配容易;②功耗低;③具有fail-safe特性確?？煽啃?④低成本;⑤高速傳送。這些特性使得LVDS在計算機、通信設(shè)備、消費電子等方面得到了廣泛應(yīng)用。

圖2給出了典型的LVDS接口，這是一種單工方式，必要時也可使用半雙工、多點配置方式，但一般在噪聲較小、距離較短的情況下才適用。每個點到點連接的差分對由一個驅(qū)動器、互連器和接收器組成。驅(qū)動器和接收器主要完成TTL信號和LVDS信號之間的轉(zhuǎn)換?；ミB器包含電纜、PCB上差分導(dǎo)線對以及匹配電阻。 LVDS驅(qū)動器由一個驅(qū)動差分線對的電流源組成?通常電流為3.5mA)，LVDS接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動器輸出的電流大部分都流過 100Ω?的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約350mA 的電壓。當(dāng)驅(qū)動器翻轉(zhuǎn)時，它改變流經(jīng)電阻的電流方向，因此產(chǎn)生有效的邏輯″1″和邏輯″0″狀態(tài)。低擺幅驅(qū)動信號實現(xiàn)了高速操作并減小了功率消耗，差分信號提供了適當(dāng)噪聲邊緣和功率消耗大幅減少的低壓擺幅。功率的大幅降低允許在單個集成電路上集成多個接口驅(qū)動器和接收器。這提高了PCB板的效能，減少了成本。

不管使用的LVDS傳輸媒質(zhì)是PCB線對還是電纜，都必須采取措施防止信號在媒質(zhì)終端發(fā)生反射，同時減少電磁干擾。LVDS要求使用一個與媒質(zhì)相匹配的終端電阻(100±20Ω)，該電阻終止了環(huán)流信號，應(yīng)該將它盡可能靠近接收器輸入端放置。LVDS驅(qū)動器能以超過155.5Mbps的速度驅(qū)動雙絞線對，距離超過10m。對速度的實際限制是：①送到驅(qū)動器的TTL數(shù)據(jù)的速度;②媒質(zhì)的帶寬性能。通常在驅(qū)動器側(cè)使用復(fù)用器、在接收器側(cè)使用解復(fù)用器來實現(xiàn)多個 TTL信道和一個LVDS信道的復(fù)用轉(zhuǎn)換，以提高信號速率，降低功耗。并減少傳輸媒質(zhì)和接口數(shù)，降低設(shè)備復(fù)雜性。

LVDS接收器可以承受至少±1V的驅(qū)動器與接收器之間的地的電壓變化。由于LVDS驅(qū)動器典型的偏置電壓為+1.2V，地的電壓變化、驅(qū)動器偏置電壓以及輕度耦合到的噪聲之和，在接收器的輸入端相對于接收器的地是共模電壓。這個共模范圍是：+0.2V～+2.2V。建議接收器的輸入電壓范圍為：0V～+2.4V。

2 LVDS系統(tǒng)的設(shè)計

LVDS系統(tǒng)的設(shè)計要求設(shè)計者應(yīng)具備超高速單板設(shè)計的經(jīng)驗并了解差分信號的理論。設(shè)計高速差分板并不很困難，下面將簡要介紹一下各注意點。

2.1 PCB板

(A)至少使用4層PCB板(從頂層到底層)：LVDS信號層、地層、電源層、TTL信號層;

(B)使TTL信號和LVDS信號相互隔離，否則TTL可能會耦合到LVDS線上，最好將TTL和LVDS信號放在由電源/地層隔離的不同層上;

(C)使LVDS驅(qū)動器和接收器盡可能地靠近連接器的LVDS端;

(D)使用分布式的多個電容來旁路LVDS設(shè)備，表面貼電容靠近電源/地層管腳放置;

(E)電源層和地層應(yīng)使用粗線，不要使用50Ω布線規(guī)則;

(F)保持PCB地線層返回路徑寬而短;

(G)應(yīng)該使用利用地層返回銅線(gu9ound return wire)的電纜連接兩個系統(tǒng)的地層;

(H) 使用多過孔(至少兩個)連接到電源層(線)和地層(線)，表面貼電容可以直接焊接到過孔焊盤以減少線頭。

2.2 板上導(dǎo)線

(A) 微波傳輸線(microstrip)和帶狀線(stripline)都有較好性能;

(B) 微波傳輸線的優(yōu)點：一般有更高的差分阻抗、不需要額外的過孔;

(C) 帶狀線在信號間提供了更好的屏蔽。

2.3 差分線

(A)使用與傳輸媒質(zhì)的差分阻抗和終端電阻相匹配的受控阻抗線，并且使差分線對離開集成芯片后立刻盡可能地相互靠近(距離小于10mm)，這樣能減少反射并能確保耦合到的噪聲為共模噪聲;

(B)使差分線對的長度相互匹配以減少信號扭曲，防止引起信號間的相位差而導(dǎo)致電磁輻射;

(C)不要僅僅依賴自動布線功能，而應(yīng)仔細修改以實現(xiàn)差分阻抗匹配并實現(xiàn)差分線的隔離;

(D)盡量減少過孔和其它會引起線路不連續(xù)性的因素;

(E)避免將導(dǎo)致阻值不連續(xù)性的90°走線，使用圓弧或45°折線來代替;

(F)在差分線對內(nèi)，兩條線之間的距離應(yīng)盡可能短，以保持接收器的共模抑制能力。在印制板上，兩條差分線之間的距離應(yīng)盡可能保持一致，以避免差分阻抗的不連續(xù)性。

2.4 終端

(A)使用終端電阻實現(xiàn)對差分傳輸線的最大匹配，阻值一般在90～130Ω之間，系統(tǒng)也需要此終端電阻來產(chǎn)生正常工作的差分電壓;[!--empirenews.page--]

(B)最好使用精度1～2%的表面貼電阻跨接在差分線上，必要時也可使用兩個阻值各為50Ω的電阻，并在中間通過一個電容接地，以濾去共模噪聲。

2.5 未使用的管腳

所有未使用的LVDS接收器輸入管腳懸空，所有未使用的LVDS和TTL輸出管腳懸空，將未使用的TTL發(fā)送/驅(qū)動器輸入和控制/使能管腳接電源或地。

2.6 媒質(zhì)(電纜和連接器)選擇

(A)使用受控阻抗媒質(zhì)，差分阻抗約為100Ω，不會引入較大的阻抗不連續(xù)性;

(B)僅就減少噪聲和提高信號質(zhì)量而言，平衡電纜(如雙絞線對)通常比非平衡電纜好;

(C)電纜長度小于0.5m時，大部分電纜都能有效工作，距離在0.5m～10m之間時,CAT 3(Categiory 3)雙絞線對電纜效果好、便宜并且容易買到，距離大于10m并且要求高速率時，建議使用CAT 5雙絞線對。

2.7 在噪聲環(huán)境中提高可靠性設(shè)計

LVDS 接收器在內(nèi)部提供了可靠性線路，用以保護在接收器輸入懸空、接收器輸入短路以及接收器輸入匹配等情況下輸出可靠。但是，當(dāng)驅(qū)動器三態(tài)或者接收器上的電纜沒有連接到驅(qū)動器上時，它并沒有提供在噪聲環(huán)境中的可靠性保證。在此情況下，電纜就變成了浮動的天線，如果電纜感應(yīng)到的噪聲超過LVDS內(nèi)部可靠性線路的容限時，接收器就會開關(guān)或振蕩。如果此種情況發(fā)生，建議使用平衡或屏蔽電纜。另外，也可以外加電阻來提高噪聲容限，如圖3所示。 圖中R1、R3是可選的外接電阻，用來提高噪聲容限，R2≈100Ω。

當(dāng)然，如果使用內(nèi)嵌在芯片中的LVDS收發(fā)器，由于一般都有控制收發(fā)器是否工作的機制，因而這種懸置不會影響系統(tǒng)。

3 應(yīng)用實例

LVDS技術(shù)目前在高速系統(tǒng)中應(yīng)用的非常廣泛，本文給出一個簡單的例子來看一下具體的連線方式。加拿大PMC公司的DSLAM(數(shù)字用戶線接入模塊)方案中，利用LVDS技術(shù)實現(xiàn)點對點的單板互聯(lián)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可擴展性非常好，實現(xiàn)了線卡上的高集成度，并且完全能夠滿足業(yè)務(wù)分散、控制集中帶來的大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制流通信的要求。 圖4描述了該系統(tǒng)線卡與線卡之間、線卡與背板之間的連線情形，使用的都是單工方式，所以需要兩對線來實現(xiàn)雙向通信。圖中示出了三種不同連接方式，從上到下分別為：存在對應(yīng)連接芯片;跨機架時實現(xiàn)終端匹配;同層機框時實現(xiàn)終端匹配。在接收端串接一個變壓器可以減小干擾并避免LVDS驅(qū)動器和接收器地電位差較大的影響。