LVDS与高速PCB设计

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b) 将 LVDS 的 两 根 迹 线 作 为 一 个 信 号 看 待 。 LVDS通过“一对 ”迹线传输一路信号 ,线对的两根线 应尽可能靠近并且与其他信号远离 。线对中的每根线 都应该在同样的电气通道上传输 ,这样可以把对外的 辐射减至最小 ,并且最大程度地抑制共模干扰 。为使 扭曲 ( Skew)最小 ,两根差分迹线长度应相等 ,电长度 的不同会产生电位差 。相位差会破坏差分信号的磁场 抵消作用并且产生 EM I,减小接收器扭曲裕量 ( skew margin) ,削弱系统性能 。总的原则是将差分线对长度 误差限制在 100 m ils(1 m il等于千分之一英寸 )内 。
Z d iff
= 2Z0
1 - 0. 48exp
- 0. 96S H
带状差分线为 :
Z d iff
= 2Z0
Hale Waihona Puke Baidu
1 - 0. 347exp
- 2. 90S H
式中各符号的定义如图 4所示 。
图 4 微带线与带状线结构
Z0 为按传统定义的特性阻抗 ,其中 ,微带线为 :
Z0
= 87 (εr + 1. 41) - 1 /2 ln
第 31卷第 5期 2005年 5月
EL
电子工 ECTRON IC
程 EN
师 G IN
EER
V oMl.
31 ay
No. 5 2005
L VD S与高速 PCB设计
徐孟祥 , 张尔扬
(国防科技大学电子科学与工程学院 , 湖南省长沙市 410073)
·39·
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
·基本电子电路 ·
电子工程师
2005年 5月
其他器件造成 EM I。迹线长度最短也使差分线间的扭 曲最小 。扭曲往往与线长成比例 ,所以限制线长也就 限制了扭曲 。
d) 保持 LVDS与单端信号距离足够大 ,最好将 LVDS与 CMOS或 TTL 信号分层布线 。如果 LVDS信 号与单端信号不能留有足够的距离 ,单端信号就会对 差分线对造成干扰 ,靠近单端迹线的那根线受到的影 响更大些 。由于两根迹线受到的干扰不同 , LVDS接 收器就不能对这种干扰完全抑制 ,因而会减小接收器 噪声裕量 ( noise margin) 。为避免串扰 ( crosstalk) ,单 端信号与 LVDS信号距离至少要在 12 mm 以上 ,有条 件时分层布线 ,并用 VCC和地平面将 LVDS信号层与 单端信号层隔离 。
(5)
V2 = - Z0 I1 ( 1 - K)
(6)
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 31卷第 5期
徐孟祥 ,等 : LVDS与高速 PCB设计
·基本电子电路 ·
2 L VD S布线的几点建议
LVDS信号两根差分线产生的磁场彼此抵消 ,电 场相互耦合 。电场之间耦合很紧 ,因而不能泄漏出去 , 只有稍许边缘场会向外泄漏 。所以 , LVDS作为差分 传输系统 ,会比 CMOS或 TTL 等信号产生更小的 EM I。
在进行含有 LVDS的 PCB 设计时 ,关键是要记住 LVDS是高速差分信号 ,它与普通的传输线设计理论 有很大不同 。但很多资料和书籍上都要求 LVDS单线 阻抗 50Ω、差分阻抗 100Ω ,这就没有考虑到 LVDS的 差分特性 ,把 LVDS差分线对当做两根独立的信号线 对待 。这样既不符合 LVDS的特点 ,也会给初学者造 成误解 。本文将详细分析单线阻抗与差分阻抗的异
为防止反射 ,该线合适的终端匹配电阻应等于
Zodd。在平衡差分线对的特殊情况下 ,线 2的特性阻抗 与线 1相同 。
下面计算差分线对的总特性阻抗 (称为差分阻
抗 ) 。假定此时用一个接地的电阻对差分线对进行阻
抗匹配 ,因 I2 = - I1 ,故没有电流流过地线 ,因而没有 必要将电阻接地 。事实上 ,为了将差分信号线对与地
i) 电源和地的迹线尽可能宽 。宽的迹线阻抗低 , 不要使用 50Ω 设计规则设计电源和地线 。保证 PCB 地的返回路径短而粗 ,使返回路径产生最小的环路 。
LVDS设计中还有许多问题需要引起注意 ,比如 稳定的供电电源 、连接器和电缆的选择等 ,由于不是本 文主要议题 ,这里不多讨论 。
单线阻抗的 2倍 。而单线阻抗又与迹线宽度 、敷铜厚 度 、板层厚度及介电常数有关 。对于 LVDS迹线来说 , 首先要保证其差分和阻抗匹配特性 ,走线时就有许多 限制因素 。总的布线原则是 S 尽可能小 , 调整 W (可 能的话也可调整 H)控制差分阻抗 。因为 PCB 板材一 定 (一般选用 FR 24材料 ) ,电介质介电常数就定了 ,铜 箔 厚 度 一 般 为 1 m il左 右 。以 微 带 线 为 例 , 选 S = 7 m il, H = 1 4m il, Zdiff = 1 0 0Ω , 可 得 Z0 = 7 1Ω 。T = 1 m il,εr = 4. 5,W = 10. 5 m il。
(4)
该方程可推广到任意数目的迹线 ,并可表示成矩
阵形式 。
在特殊情况下 ,若是差分线对 ,如图 3所示 ,由式
(1)和式 ( 2) ,并注意到差分线对是平衡 、对称的 ,有 :
Z11 = Z22 = Z0 ,且 I2 = - I1 。因此 ,上述方程变为 :
V1 = Z0 I1 ( 1 - K)
使用阻抗计算工具 Si6000b计算 ,令 H = 14 m il,W = 11 m il,W 1 = 12 m il,εr = 4. 5, T = 1 m il,得 Z0 = 73Ω。 再令 S = 6 m il,得 Zdiff = 102Ω。这里 W 是迹线铜箔的 上层宽度 ,W 1 是下层宽度 。
e) 尽量采用微带线 ,并保持差分线之间紧耦合 。 带状线虽然比微带线产生更小的 EM I,但带状线比微 带线传输延迟大 (典型值 1. 5倍 ) ,而且需要额外的过 孔 ,更难精确获得 100 Ω 差分阻抗 。带状线也会增加 PCB 的层数 ,相应地增加了成本 。
f) 保持 LVDS驱动器和接收器尽可能靠近连接 器 ,保证 PCB 上迹线长度最短 。这有利于板上噪声不 会耦合到差分线上 ,也不会通过电缆泄漏出去 ,从而对
图 1 单根传输线
若是两根相邻迹线 ,如图 2所示 ,其中线 1特性阻 抗为 Z11 ,相当于图 1的 Z0 ,电流为 I1 。线 2特性阻抗 为 Z22 ,电流为 I2 。当将线 2 靠近线 1 时 ,线 2 的电流 I2 就耦合到线 1,耦合系数为 K。同样地 ,线 1的电流 I1 也耦合到线 2,耦合系数也为 K。
g) 使用至少 4 层 PCB (顶层到底层 ) 。按 LVDS 信号层 、地层 、电源层 、TTL /CMOS信号层排列 。确保 电源和地平面适合高速 PCB 设计 。使用实的地平面 以形成传输线互连所需的受控阻抗 ,电源和地平面的 小间隔会形成极好的高频旁路电容 。
h) 使用分布式大容量电容旁路每个 LVDS器件 。 使用 4. 7μF或 10μF耐压 35 V 的表面安装钽电容靠 近电源 和 地 引 脚 放 置 效 果 最 好 。空 间 允 许 的 话 在 VCC和地引脚之间并行放置 1~2个多层陶瓷表面安 装电容器 ( 0. 1 μF和 0. 01 μF) 。为使导致电容器频 率响应变差的寄生效应最小 ,最好将电容器尽可能靠 近 VCC和地引脚放置 。
图 2 两根传输线
根据欧姆定律 ,线 1和线 2上任何点的电压为 :
V1 = Z11 I1 + Z11 K I2
(1)
V2 = Z22 I2 + Z22 K I1
(2)
定义 Z12 = KZ11 , Z21 = KZ22 ,则上述方程变为 :
V1 = Z11 I1 + Z12 I2
(3)
V2 = Z21 I1 + Z22 I2
【摘 要 】 LVDS (低压差分信号 )标准 ANSI/ TIA / E IA 26442A 22001 广泛应用于许多接口器件和 一些 ASIC及 FPGA 中 。文中探讨了 LVDS的特点及其 PCB (印制电路板 )设计 ,纠正了某些错误认识 。 应用传输线理论分析了单线阻抗 、双线阻抗及 LVDS差分阻抗计算方法 ,给出了计算单线阻抗和差分 阻抗的公式 ,通过实际计算说明了差分阻抗与单线阻抗的区别 ,并给出了 PCB 布线时的几点建议 。
LVDS是一种小摆幅差分信号技术 ,使用很低的 电压幅度 (100 mV ~450 mV )通过一对平行的 PCB 走 线或平衡电缆传输数据 。在两条平行的差分信号线 上 ,电流及电压振幅相反 ,噪声信号同时耦合到两条线 上 ,接收端只关心两信号的差值 ,因此噪声被抑制掉 。 低电压摆幅使提高数据率和降低功耗成为可能 ,同时 也意味着数据可更快地反转 。由于 LVDS驱动器是恒 流源模式 ,功耗几乎不会随频率的增加而增大 ,其单路 功 耗 非 常 低 , 按 典 型 电 流 3. 5mA 、终 端 匹 配 电 阻 100Ω 计算 ,消耗在电阻上的功率只有 1. 225 mW。
c) 保持阻抗连续 。阻抗不连续会使反射增加 ,这 会降低信号质量并产生共模噪声 。共模噪声不利于消 除差分线的电磁效应并且产生 EM I。差分线对的两根 线的距离应最小化 ,以保证接收器对共模干扰的抑制 。 在 PCB 上 ,这个距离应保持恒定以避免差分阻抗不连 续 ,并使过孔数目最少 。迹线需要转向时使用弧形走 线或 45°走线 ,不要使用 90°走线 。
图 3 差分线对
由于是差分线对 ,故有 : V2 = - V1 。 现在计算差分线对中单根线的特性阻抗 (在差分
线对中 ,单取一根时称“单模 ”阻抗 ,通常也叫“单端 ” 阻抗 ) 。线 1的特性阻抗是电压除以电流 ,即
Zodd
= V1 I1
= Z0 ( 1 - K)
因 Z0 = Z11 , K = Z12 / Z11 ,故 : Zodd = Z11 - Z12 。
关键词 : LVDS, 阻抗分析 , 阻抗计算 , PCB 设计 中图分类号 : TN41
0 引 言
LVDS (低压差分信号 )是高速 、低电压 、低功率 、 低噪声通用 I/O 接口标准 ,其低压摆幅和差分电流输 出模式使 EM I(电磁干扰 )大大降低 。由于信号输出 边缘变化很快 ,其信号通路表现为传输线特性 。因此 , 在用含有 LVDS接口的 Xilinx或 A ltera等公司的 FP2 GA 及其它器件进行 PCB (印制电路板 )设计时 ,超高 速 PCB 设计和差分信号理论就显得特别重要 。
收稿日期 : 2005201211; 修回日期 : 2005203208。
·38·
同 ,并提出进行高速 PCB 设计时的几点建议 。
1 PC B传输线阻抗分析
图 1是典型的单根迹线 ( trace) , 其特性阻抗为 Z0 ,通过电流为 I。根据欧姆定律 ,线上任何点的电压 为 V = Z0 I。
5. 98H 0. 8W + T
带状线为 :
Z0
= 60 (εr ) - 1 /2 ln
4H 0. 67π ( 0. 8W
+ T)
通过以上分析可以得出结论 , LVDS布线与普通 CMOS或 TTL 信号布线有所不同 ,应注意以下几点 :
a) 保证阻抗匹配 。由于 LVDS通常用来传输高 速数据信号 ,要求具有快速变化的边缘斜率 , PCB 迹线 要作为传输线看待 ,长度超过 2 cm 时应该进行阻抗控 制 ,同时需要进行阻抗匹配 ,其范围为 90 Ω ~110 Ω 之间 ,典型值 100 Ω。要选用表面安装厚膜无引线贴 片电阻 (如 0603或 0805) ,尽可能靠近接收器放置 。
噪声隔离 ,甚至有人建议不要将电阻接地 。所以标准
的阻抗匹配如图 3所示 ,在线 1 与线 2 之间只需要一
个电阻 ,该电阻应等于线 1与线 2单模电阻之和 ,即
Zdiff = 2Zodd = 2Z0 ( 1 - K) 或
Zdiff = 2 ( Z11 - Z12 ) 由于 Z12的值不知道 ,所以 Zdiff的值就不能得到 。 Z12与耦合系数 K有关 。美国国家半导体公司公布了 差分阻抗的计算公式 ,其中 ,微带差分线为 :
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