LVDS接口设计

LVDS的接口电路设计

丁宏伟

摘要：LVDS是一种小振幅差分信号技术,使用这种技术传输速率可以达到数百兆,甚至更高; LVDS具有更低的功耗、更好的噪声性能和更可靠的稳定性。简要地介绍了LVDS的原理及优势,分析了LVDS接口设计要注意的问题。

关键词：LVDS；接口；PCB

中图分类号：TP336 文献标志码：A

引言

LVDS，即Low Voltage Differential Signaling，是一种低压差分信号技术接口。它是美国NS公司（美国国家半导体公司）为克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。LVDS这种技术的核心是采用极低的电压摆幅(约350 mV)高速差动传输数据，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆。LVDS在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用。

1 LVDS驱动器和接收器工作原理

LVDS定义在2个国际标准中: IEEE P1596.3 (1996 年3 月通过) , 主要面向SC I ( ScalableCoherent Interface) ,定义了LVDS的电特性,还定义了SC I协议中包交换时的编码; ANSI /EIA -644 (1995年11月通过) ,主要定义了LVDS的电特性,并建议了655 Mb / s的最大速率和1. 823Gb / s的无失真媒质上的理论极限速率。在2个标准中都指定了与物理媒质无关的特性,这保证了LVDS能成为多用途的接口标准[ 1]。

如图1所示，LVDS电路由驱动器和接收器以及终端匹配电阻组成。M1、M2、M3和M4是尺寸、工艺相同的NMOS管开关。驱动器的输出接在阻值为100Ω的终端电阻上，构成回路。驱动器工作时，NMOS开关M1和M4以及M2和M3在CMOS信号的作用下轮流导通和截止，在输出端产生±3．5 mA的回路电流。绝大部分驱动电流将流经100Ω的终端电阻，并在接收器输入端产生大约350 mV的压降。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生了一个有效“0”或“1”的逻辑状态。从而把一个CMOS信号转换成了LVDS[ 2]。

图1 LVDS电路的工作示意图

在数据传输过程中，还必须有时钟信号的参与，LVDS接口无论传输数据还是传输时钟，都采用差分信号对的形式进行传输。所谓信号对，是指LVDS接口电路中，每一个数据传输通道或时钟传输通道的输出都为两个信号（正输出端和负输出端）。

LVDS的驱动和接收不依赖于供电规格，从而可以保持同样的信号电平和性能。LVDS的信号电平只有PECI 电压摆幅的一半，是TTI ／CMOS电平的1／1O。LVDS提供低功耗的解决方案，其负载终端电阻的功耗仅为1．2 mW。电流驱动模式也降低了系统的功耗。

2 LVDS的应用模式

2．1 单向点对点(point-to-point)

这是典型的应用模式，每个点到点连接的差分对由一个驱动器、互连器和接收器组成。驱动器和接收器主要完成TTL信号和LVDS信号之问的转换。互连器包含电缆、PCB上差分导线对以及匹配电阻。单向点对点应用模式是芯片问、插件问、机架问通讯的理想接口。

2．2 双向点对点

能通过一对双绞线实现双向的半双工通信。可以由标准的LVDS的驱动器和接收器构成。但更好的办法是采用总线LVDS驱动器，即BLVDS，这是为总线两端都接负载而设计的。

2．3 多分支形式(multidrop)

即一个驱动器连接多个接收器。当有相同的数据要传给多个负载时，可以采用这种应用形式。

2．4 多点结构(multipoint)

此时多点总线支持多个驱动器，也可以采用BLVDS驱动器。它可以提供双向的半双工通信，但是在任一时刻，只能有一个驱动器工作。因而发送的优先权和总线的仲裁协议都需要依据不同的应用场合，选用不同的软件协议和硬件方案[ 3 ]。

3 LVDS系统的设计

了解LVDS接口特性后，下面的问题就是如何在设计中应用好LVDS接口产品，充分发挥其技术优点，优化系统设计。

3．1 PCB板的设计

PCB布线总的原则是：阻抗要匹配。这是非常重要的，差分阻抗的不匹配会产生反射，会减弱信号并增加共模噪声，线路上的共模噪声将得不到差分线路磁场的抵消而产生电磁辐射。以下是PCB板设计中需注意的问题：

a．至少用4层PCB板，将LVDS信号、地、电源、TTI 信号分层布局；

b．使TTL信号和LVDS信号相互隔离，否则TTL可能会耦合到LVDS线上，最好将TTL和LVDS信号放在由电源、地层隔离的不同层上；

c．保持发送器和接收器尽可能靠近接插件，连线长度愈短愈好[(小于37．6 ram(1．5英寸)]，以保证板上噪声不会被带到差分线上，而且避免电路板及电缆线问的交叉EMI干扰；

d．旁路每个LVDS器件，分布式散装电容或表贴电容放在尽量靠近电源和地线引脚处；

e．电源层和地层应使用粗线，保持PCB地线层返回路径宽而短；

f．终端负载用100Ω表贴电阻靠近接收器输入端来匹配传输线的差分阻抗，终端电阻到接收器输入端的距离应小于7 mm；

g．将所有空闲引脚开路(悬空)。

3．2 差分线的设计

a．使用与传输媒质的差分阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线，并且使差分线对离开集成芯片后立刻尽可能地相互靠近(距离小于10 mm)，这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声；

b．使差分线对的长度相互匹配，以减少信号扭曲，防止引起信号问的相位差而导致电磁辐射；

c．尽量减少过孔和其它会引起线路不连续性的因素；

d．避免使用90°的走线，这将导致阻值的不连续。

3．3 电缆和接插件的选择

a．就减少噪声和提高信号质量而言，平衡电缆(如双绞线对)比非平衡电缆好。当电缆长度小于0．5 m 时，大部分电缆都能有效工作，距离在0．5 m～10 m之问时，CAT 3(Category 3)双绞线对效果好，距离大于10 m并且要求高速率时，建议使用CAT 5双绞线对。

b．接插件一般选择标准连接器，在连接器上差分信号通常连接在一行中靠近的两个连接脚上。

4 结语

总之，LVDS数据传输标准比传统的RS-232、RS-422等标准有很大的优越性。用LVDS技术来完成数据传输，将会降低系统设计的复杂度，使系统有很高的可靠性、高数据率、低噪声、低电磁辐射和低成本。参考文献：

[ 1 ] 赵忠文,曾岱,熊伟. LVDS技术分析和应用设计[ J ]. 指挥技术学院学报, 2001, 12 (6) : 1 - 2.

[ 2 ] 宋正勋,谭宝华. 低压差分信号技术[ J ]. 长春光学精密机械学院学报, 2000, 23 (2) : 2 - 3.

[ 3 ] Stephen Kempainen. Low Voltage Differential Signaling[ J ]. Insight, 2000, 5 (2) : 15 - 20.