LVDS与高速PCB设计
高速数字电路PCB设计中的阻抗控制
环测威官网：/阻抗控制技术在高速数字电路设计中非常重要，其中必须采用有效的方法来确保高速PCB 的优异性能。
PCB上高速电路传输线的阻抗计算及阻抗控制•传输线上的等效模型图1显示了传输线对PCB的等效影响，这是一种包括串联和多电容，电阻和电感（RLGC 模型）的结构。
串联电阻的典型值在0.25至0.55欧姆/英尺的范围内，并且多个电阻器的电阻值通常保持相当高。
随着PCB传输线中增加的寄生电阻，电容和电感，传输线上的总阻抗被称为特征阻抗（Z 0）。
在线直径大，线接近电源/接地或介电常数高的条件下，特征阻抗值相对较小。
图3示出了具有长度dz的传输线的等效模型，基于该模型，传输线的特征阻抗可以推导为公式：。
在这个公式中，L“传感线”是指传输线上每个单位长度的电感，而C是指传输线上每个单位长度的电容。
环测威官网：/在上面的公式中，Z 0表示阻抗（欧姆），W表示线的宽度（英寸），T表示线的粗细（英寸），H表示到地面的距离（英寸），是指衬底的相对介电常数，t PD是指延迟时间（ps / inch）。
•传输线的阻抗控制布局规则基于上述分析，阻抗和信号的单位延迟与信号频率无关，但与电路板结构，电路板材料的相对介电常数和布线的物理属性有关。
这一结论对于理解高速PCB和高速PCB设计非常重要。
而且，外层信号传输线的传输速度比内层传输速度快得多，因此关键线布局的排列必须考虑这些因素。
阻抗控制是实现信号传输的重要前提。
但是，根据传输线的电路板结构和阻抗计算公式，阻抗仅取决于PCB材料和PCB层结构，同一线路的线宽和布线特性不变。
因此，线路的阻抗在PCB的不同层上不会改变，这在高速电路设计中是不允许的。
本文设计了一种高密度高速PCB，板上大多数信号都有阻抗要求。
例如，CPCI信号线的阻抗应为650欧姆，差分信号为100欧姆，其他信号均为50欧姆。
根据PCB布线空间，必须使用至少十层布线，并确定16层PCB设计方案。
由于电路板的整体厚度不能超过2mm，因此在堆叠方面存在一些困难，需要考虑以下问题：1）。
LVDS信号在PCB上的设计要点
2.LVDS信号在PCB上的设计要点LVDS信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI-Express 为代表的第三代I/O标准中采用，而在我们的项目中PCI-Express信号正是采用的是LVDS信号。
LVDS信号不仅是差分信号，而且还是高速数字信号。
因此LVDS 传输媒质不管使用的是PCB线还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发生反射，同时应减少电磁干扰以保证信号的完整性。
只要我们在布线时考虑到以上这些要素，设计高速差分线路板并不很困难。
下面简要介绍LVDS信号在PCB 上的设计要点：2.1布成多层板有LVDS信号的电路板一般都要布成多层板。
由于LVDS 信号属于高速信号，与其相邻的层应为地层，对LVDS信号进行屏蔽防止干扰。
对于密度不是很大的板子，在物理空间条件允许的情况下，最好将LVDS信号与其它信号分别放在不同的层。
例如，在四层板中，通常可以按以下进行布层：LVDS 信号层、地层、电源层、其它信号层。
2.2 LVDS信号阻抗计算与控制。
LVDS信号的电压摆幅只有350mV,适于电流驱动的差分信号方式工作。
为了确保信号在传输线当中传播时不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，通常差分阻抗为100+/-10Ω。
阻抗控制的好坏直接影响信号完整性及延迟。
如何对其进行阻抗控制呢？（1）确定走线模式、参数及阻抗计算。
LVDS分外层微带线差分模式和内层带状线差分模式。
阻抗可以通过合理设置参数，利用相关软件计算得出。
通过计算，阻抗值与绝缘层厚度成正比，与介电常数、导线的厚度及宽度成反比。
（2）走平行等距线及紧耦合原则。
确定走线线宽及间距后，在走线时严格按照计算出的线宽和间距，两线的间距要一直保持不变，也就是要保持平行（可以放图）。
同时在计算线宽和间距时最好遵守紧耦合的原则，也就是差分对线间距小于或等于线宽。
当两条差分信号线距离很近时，电流传输方向相反，其磁场相互抵消，电场相互耦合，电磁辐射也要小得多。
LVDS信号完整性分析及高速背板设计
东南大学硕士学位论文LVDS信号完整性分析及高速背板设计姓名：胡劲松申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：朱晓维;洪伟20040301ＬＶＤＳ信号完整性分析及高速背板设计第二章高速电路板设计技术及其信号完整性分析２．１高速电路设计中的信号完整性综述【７】阁２．１典型的背板与子板结构中的信号干扰情况高速ｒＵ路中的信号完整性问题丰要包括噪声、串扰（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）、电源分配、电磁干扰（ＥＭＩ）与电磁兼容（ＥＭＣ）等。
噪声丰要来自于振铃（上冲和Ｆ冲）、阻抗火配、反射和终端负载。
振铃是在高频信号时钟的上升沿和下降沿，在信号建立的过程中产生的。
阻抗失配的主要是因为大多数高速设备都存在高阻驱动利低阻接收的方式，多层ＰＣＢ扳阻抗的不可控以及带有多个插槽或子板的ＰＣＩ总线的存在。
反射包括正发射和负发劓，当信号的波前遇到高阻时，将发生正发射并带来上冲：反之，当信号遇到低阻时，将发生负反射并带来下冲。
终端负载技术包括在发射端的串联接法，以及在接收端的并联接法（上拉、下拉、Ｔｈｅｖｅｎｉｎ、ＡＣ和二极管）。
此外还有一种同步切换噪声（ＳＳＮ），它是由电流返同路径，地跳垌Ｉ去耦等因素造成的。
当两条走线靠在起时，其中一‘条走线中电流的变化将会引起相邻走线中的电流流动，这种现象就叫交扰，交扰一般发生在高频信号的上升沿和Ｆ降卅。
山丁电容和寄生电感的影响，在电源平面会存在许多复杂的喈振。
而地面和电源面上的谐振都会引起大量的共模ＥＭＩ。
２．２电源［９】【１ｏ】高速系统电源殴计的目标就是为板上的高速设各提供一个噪声尽可能小的纯净的电源。
东南大学坝十学位论文６２．２．１电压损失和噪声问题图２．２电源总线和电源面的示意图在常见的低频电路中，经常采用电源总线为所有板上的器件供电。
但由于总线不可能是完全无耗的，这样总线【：的电压损失将会使总线上的某些设备得不到它的理想：［作电压。
同时每个高速设备产生的噪声也会被其他没备中。
在高频电路中，我们就可以为不同的电压级别分配不同的电源面米解决这些问题。
高速LVDS接口电路设计
收稿日期:2009-11 作者简介:范丹(1985—),男,硕士研究生,研究方向为光电对抗与信息处理。
高速LVDS 接口电路设计范 丹1,何永强1,方晋贤2(1.军械工程学院,河北石家庄050003;2.广州军区76321部队,广东广州510500) 摘要:随着数字电路数据量的提高,数据的传输速率也越来越快,LVDS (低压差分信号)标准越来越多的应用在FPG A 和ASI C 器件中。
文章对LVDS 信号的特点进行了分析,说明了PC B 设计中差分走线的注意事项并结合实际应用设计了一块LVDS 接口板。
关键词:LVDS;PC B 设计;接口;阻抗匹配中图分类号:T N41 文献标识码:A 文章编号:1006-2394(2010)04-0007-02D esi gn of L V D S I n terface C i rcu itF AN Dan 1,HE Yong 2qiang 1,F ANG J in 2xian2(1.O rdnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China;2.Guangzhou M ilitary Regi on,Unit 76321,Guangzhou 510500,China )Abstract:A l ong with the rap id devel opment of digital circuit technol ogy,higher data trans m issi on rate is required .A s a result,more and more LVDS (Low 2Voltage D ifferential Signaling )standards are used in digital devices .The char 2acteristic of LVDS is analyzed .The attenti ons on PCB design with LVDS are exp lained .And then a LVDS interface board is made .Key words:LVDS (l ow 2v oltage differential signaling );PCB design;interface;i m pedance matching0 引言随着电子信息技术的进步,对数据传输速率的要求也越来越高。
LVDS转RGB原理设计及PCB设计注意事项
LVDS转RGB原理设计及PCB注意事项当今，配备数字RGB接口的TFF液晶显示屏以其图像清晰、接口简单和亮度高等特点而在电脑笔记本、GPS、机顶盒、WebPad等设备中得到了广泛应用。
但是由于驱动显示屏的视频信号频率较高而无法直接进行较远距离传输。
为此，可以在图形控制器到LCD之间的FPD(Flat Panel Display)链路中采用LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技术来克服这一问题，实际使用证明：经它引接后的传输距离可扩大至10米左右，从而充分满足了液晶屏的一般应用场合。
数字RGB视频信号中除了包括图像信号之外，还包括行同步、场同步、像素时钟等信号，其中像素时钟信号的最高频率可超过28MHz。
低电压差分信号技术(LVDS)的采用可以充分避免长距离传输带来的衰减和信号间的相互串扰，LVDS 是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出可保证低噪声和低功耗，其优点包括可支持高速数据传输、省电、噪声小、电磁干扰微弱，成本低廉、集成度高等。
最基本的LVDS器件就是LVDS驱动器和接收器。
LVDS的驱动器由驱动差分线对的电流源组成，电流通常为3.5 mA。
LVDS接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的大部分电流都流过100Ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350 mV的电压。
因此设计LVDS信号转RGB输出时，电路一般这样设计：LVDS是串行接口，RGB信号传输时，是将每个基色信号的数据排成一纵队，采用差分数据线按顺序进行输出。
在一个时钟脉冲周期内，一对差分数据线可以传输7bit数据。
LVDS18对于单路6bit LVDS接口，需要3对差分数据线，即RX0-和RX0十，RX1-和RX1+，RX2-和RX2+。
因每对差分数据线可以传输7bit数据，这样，3对差分数据线可以传输3×7bit=21 bit，除R0～R5、G0～G5、B0～B5占去18bit，还剩下3bit 用于传输HS(行同步)、VS(场同步)、DE(有效数据选通)信号(若HS、VS信号不传输，将空余2bit)。
LVDS PCB布线
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 。
- 0. 96S H
带状差分线为 :
Z d iff
= 2Z0
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
5. 98H 0. 8W + T
(5)
V2 = - Z0 I1 ( 1 - K)
(6)
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
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
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 。
基于PXI的LVDS高速通信板卡设计
㊀２０２０年㊀第５期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．５㊀收稿日期：２０１９－０４－０８基于ＰＸＩ的ＬＶＤＳ高速通信板卡设计白宏义，李锦明，郭㊀淳（中北大学电子测试国家重点实验室，山西太原㊀０３００５１）㊀㊀摘要：针对采集系统与计算机的高速数据传输问题，设计了基于ＰＸＩ接口的通信板卡㊂板卡以ＦＰＧＡ为控制核心，控制ＬＶＤＳ进行数据采集，将数据通过ＰＸＩ接口发送给计算机，通过ＷＤＭ驱动结构完成ＰＸＩ总线连接到计算机的软件接口，并编写上位机程序对板卡进行测速㊂不同于传统数据采集卡，没有采用专用的ＰＣＩ芯片，单独以ＦＰＧＡ来实现ＰＸＩ接口㊂测试证明，设计的通信板卡可以实现高速数据采集功能，速度可达１０７ＭＢ／ｓ，在节约成本的同时加快了ＰＸＩ板卡的开发周期㊂关键词：ＰＸＩ接口；ＬＶＤＳ；ＦＰＧＡ；数据采集卡；ＷＤＭ驱动；ＰＣＩ芯片中图分类号：ＴＮ７１０㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０５－００３３－０４ＤｅｓｉｇｎｏｆＬＶＤＳＨｉｇｈＳｐｅｅｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＢｏａｒｄＢａｓｅｄｏｎＰＸＩＢＡＩＨｏｎｇ⁃ｙｉ，ＬＩＪｉｎ⁃ｍｉｎｇ，ＧＵＯＣｈｕｎ（ＳｔａｔｅｋｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｒｔａｃｔ：ＡｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｏａｒｄｂａｓｅｄｏｎＰＸＩｉｎｔｅｒｆａｃｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ．ＴｈｅｂｏａｒｄｔｏｏｋＦＰＧＡａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｏｒｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＬＶＤＳｆｏｒｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｅｎｔｄａｔａｔｏｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｔｈｒｏｕｇｈＰＸＩｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｃｏｍｐｌｅｔｅｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇＰＸＩｂｕｓｔｏｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｔｈｒｏｕｇｈＷＤＭｄｒｉｖｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｗｒｏｔｅｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｂｏａｒｄｓｐｅｅｄ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄ，ＰＸＩｉｎｔｅｒｆａｃｅｗａｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙＦＰＧＡｉｎｓｔｅａｄｏｆｓｐｅｃｉａｌＰＣＩｃｈｉｐ．Ｔｈｅｔｅｓｔｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｅｄｕｐｔｏ１０７ＭＢ／ｓ，ｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌｙｓａｖｅｓｔｈｅｃｏｓｔｂｕｔａｌｓｏｓｐｅｅｄｓｕｐｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅｏｆＰＸＩｂｏａｒｄｃａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＸＩｂｕｓ；ＬＶＤＳ；ＦＰＧＡ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄ；ＷＤＭｄｒｉｖｅｒ；ＰＣＩｃｈｉｐ０㊀引言随着电子技术发展，在基于计算机控制的采集系统中，建立采集设备和计算机高速有效的数据传输通道成为至关重要的一环㊂在采集大容量㊁高带宽的数据时，ＰＸＩ接口速度可以达到１３２ＭＢ／ｓ，数据位能够扩展到６４位，有着较大的优点［１－２］㊂当前，开发ＰＸＩ总线接口主要使用专用ＰＣＩ接口芯片ＰＣＩ９０５４和ＰＣＩ９０５２［３－４］，成本较高，开发周期较长㊂因此，提出单独采用ＦＰＧＡ实现ＰＸＩ协议，能够降低成本，加快开发周期，具有一定的工程应用价值㊂１㊀系统总体设计板卡主要作用是接收采集设备发来的２路高速ＬＶＤＳ接口，通过ＦＩＦＯ对数据进行缓存，然后将数据通过ＰＸＩ接口发送给计算机，上位机对数据进行实时监测㊂实现ＰＸＩ接口包括３部分，ＰＸＩ协议ＶＨＤＬ实现模块，ＷＤＭ驱动，ＰＸＩ接口电路㊂系统的总体设计如图１所示㊂图１㊀总体设计框图２㊀系统硬件电路设计２．１㊀ＬＶＤＳ接口电路ＬＶＤＳ电路采用的是ＤＳ９２ＬＶ１０２３和ＤＳ９２ＬＶ１２２４芯片，能够产生低压差分信号，ＤＳ９２ＬＶ１０２３内部有１０位并行总线，能够实时将１０位并行数据转成内部包含时钟的高速串行数据，ＤＳ９２ＬＶ１２２４可以将内部包含时钟的高速串行数据转成并行数据，将内部的时钟信号剥离出来，进行时钟重建㊂同时，ＦＰＧＡ作为主控芯片，可以实时完成ＴＣＬＫ和ＲＣＬＫ的同步，从而保证了大容量数据高速稳定传输［５－６］㊂如图２和图３所示是两组芯片硬件电路设计㊂㊀㊀㊀㊀㊀３４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｙ．２０２０㊀图２㊀ＬＶＤＳ发送端电路设计图２．２㊀ＰＸＩ接口电路主控芯片ＦＰＧＡ采用ＥＰ２Ｃ３５Ｆ４８４Ｃ８，速度为－８，编译后系统速度可以达到１３３ＭＨｚ［７］㊂ＰＸＩ接口涉及到诸多信号，信号根据不同功能可以分为几种类型㊂ＰＸＩ接口作为一个功能模块，通过ＦＰＧＡ芯片的Ｉ／Ｏ管脚与ＰＸＩ接口信号组相连［８］，如图４所示㊂３㊀系统软件设计板卡以ｑｕａｒｔｕｓ软件为开发环境进行搭建和实现，总体逻辑设计图如图５所示，接收控制模块用来控制ＬＶＤＳ的时序，接收采集系统发来的数据㊂数据处理模块用来对数据进行编帧，串并转换等操作㊂ＰＸＩ协议ＶＨＤＬ实现模块用来实现ＰＸＩ协议和接口逻辑，并控制ＰＸＩ接口时序进行ＰＸＩ总线与ＦＰＧＡ进行数据交互㊂测试台发来数据，接收控制模块接收数据并将其放入４Ｋ的ＦＩＦＯ模块中；数据处理模块对收到数据加上帧头帧尾等标志㊂随后数据进入１６Ｋ的ＦＩＦＯ模块，根据ｆｕｌｌ２信号判断ＦＩＦＯ模块的数据量，如果达到标定的数据量，控制ＰＸＩ总线对数据进行读写操作㊂图３㊀ＬＶＤＳ接受端电路设计图图４㊀ＰＸＩ接口电路３．１㊀ＰＸＩ协议ＶＨＤＬ实现板卡设计的ＰＸＩ接口包含４个模块，如图６所示㊂３．１．１㊀配置空间设置该模块用来定义ＰＣＩ配置空间㊂配置空间共有１６个寄存器，即１６个双字空间，ＡＤ（５ʒ２）就对应这１６个地址㊂第１个地址的高１６位是板卡的设备ＩＤ图５㊀软件设计总体框图号：４２５８；第１个地址的低１６位是板卡的供应商ＩＤ号：１１００㊂ＰＣＩ配置空间有６个基址寄存器Ｂａｓｅ０－５，板卡主要用到两个基址寄存器㊂Ｂａｓｅ０寄存器：分配一段地址空间给ＦＰＧＡ的内存寄存器，用内存映射的形式访问ＦＰＧＡ的内存寄存器㊂㊀㊀㊀㊀㊀第５期白宏义等：基于ＰＸＩ的ＬＶＤＳ高速通信板卡设计３５㊀㊀图６㊀ＰＸＩ接口Ｂａｓｅ１寄存器：分配一段地址空间给ＦＰＧＡ的ＩＯ寄存器，用Ｉ／Ｏ的形式访问ＦＰＧＡ的ＩＯ寄存器㊂３．１．２㊀接口逻辑接口逻辑包含两部分：地址译码，命令译码㊂地址译码是对总线发来的地址进行锁存，用来判断设备是否应该响应当前总线操作；命令译码是对总线锁存的命令类型进行锁存：对总线发来的不同命令做出相应的操作㊂在地址和命令传输结束后，总线在过程中成为数据总线，用于传输数据㊂３．１．３㊀奇偶校验在地址段和数据段中，奇偶校验对地址数据总线和命令操作位的正确性进行保护㊂既对ＡＤ（３１ʒ０）与ＣＢＥ（３ʒ０）进行校验㊂ＰＸＩ数据总线校验保证０数据误码㊂３．１．４㊀状态机ＰＸＩ总线传输主要通过帧开始标志信号ＦＲＡＭＥ；初始化设备选择信号ＩＲＴＹ；目标设备准备就绪信号ＴＲＤＹ；设备选择命中信号ＤＥＶＳＥＬ；总线命令和字节允许信号ＣＢＥ；地址数据复用信号ＡＤ进行控制㊂图７为ＰＸＩ读写操作状态机，共分为５个状态，Ｓ１是空闲状态，Ｓ２是地址或过渡状态，Ｓ３是忙状态，Ｓ４是传输状态，Ｓ５是停止状态㊂Ｓ１状态是ＰＸＩ设备的初始状态，如果ＦＲＡＭＥ＝１或者ＩＲＤＹ＝０，一直保持该空闲状态㊂当ＦＲＡＭＥ＝０和ＩＲＤＹ＝１，Ｓ１进入Ｓ２状态即是地址过渡状态，开始进行地址周期，主要是对地址，命令和ＦＲＡＭＥ进行判断㊂主设备ＩＲＤＹ低电平表明准备接收发来的第１个数据项㊂当主设备ＩＲＤＹ和ＦＲＡＭＥ同时低电平且ＤＥＶＳＥＬ＝１时，表明它已经完成交易的第一个数据段并且进入Ｓ４状态㊂如果ＩＲＤＹ和ＦＲＡＭＥ没有同时为低，一直维持Ｓ２状态㊂如果信号ＤＥＶＳＥＬ＝０进入Ｓ３状态，表示主设备不进行采样操作，同时目标还没有声明交易，即总线访问的地址没有命中，处于总线忙状态㊂ＩＲＤＹ和ＴＲＤＹ同时低电平，表明数据是完整，成功地读取了第一个（且唯一的）数据项㊂在状态Ｓ４的时候如果ＦＲＡＭＥ变低，开始进入停止状态，在Ｓ３状态时，如果ＦＲＡＭＥ变低，开始进入停止状态㊂３．２㊀ＰＸＩ读写时序仿真结果用ＱｕａｒｔｕｓⅡ１２．０下的ＳｉｇｎａｌＴａｐ工具对ＰＸＩ信号图７㊀读写状态机进行捕捉，得到ＰＸＩ读写操作时序如图８和图９所示㊂图６中ＡＤ（３１ʒ０）输出值为４２５８１１００，表示设备的ＩＤ号是４２５８，供应商ＩＤ号是１１００；ＣＢＥ（３ʒ０）输出值为１０１０表示进行配置空间读操作㊂图７中ＣＢＥ（３ʒ０）输出值为１０１０表示对配置寄存器进行写操作，ＡＤ（３１ʒ０）输出０Ｘ４是地址，０Ｘ７是数据，表示向配置寄存器地址０Ｘ４写入数据０Ｘ７㊂图８㊀ＰＸＩ读操作时序图９㊀ＰＸＩ写操作时序读写时序说明：第１个周期：主机把ＦＲＡＭＥ信号拉低，ＩＲＤＹ拉高说明一个新的ＰＸＩ操作开始；主机把ＣＢＥ（３：０）置对应操作位；主机把ＡＤ（３１：０）置地址操作位；设备卡检测到主机发起新的ＰＸＩ操作；设备卡锁存ＣＢＥ命令信息；设备卡锁存ＡＤ（３１：０）的地址信息㊂第２个周期：主机把ＦＲＡＭＥ信号拉高，ＩＲＤＹ拉低；设备卡检测ＣＢＥ命令操作，确认是哪种操作类型：ＩＯ操作，内存操作，配置操作；设备卡检测地址信息，确认是否本卡㊂第３个周期：设备卡确认是本卡操作，把ＤＥＶＳＥＬ信号拉低，ＳＴＯＰ信号和ＴＲＤＹ拉高，响应主机操作；主机收到ＤＥＶＳＥＬ低，确认设备卡响应㊂第４个周期：设备卡将ＴＲＤＹ信号拉低，当前ＰＸＩ交易完成㊂第５个周期：主机将ＩＲＤＹ和ＦＲＡＭＥ拉高，确认交易完成；设备卡将ＤＥＶＳＥＬ，ＴＲＤＹ，ＳＴＯＰ拉高，确认交易完成㊂㊀㊀㊀㊀㊀３６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｙ．２０２０㊀第６个周期：主机将ＩＲＤＹ和ＦＲＡＭＥ释放三态，当前交易结束；设备卡将ＤＥＶＳＥＬ，ＴＲＤＹ，ＳＴＯＰ释放三态，当前交易结束㊂３．３㊀ＷＤＭ驱动ＷＤＭ驱动程序是ＰＸＩ总线连接到计算机的软件接口㊂在计算机上安装ＤＲＩＶＥＲＷＯＲＫＳ２．７和２０００ＤＤＫ驱动等工具，自动生成驱动框架，用户只需要在它的框架之下，添加用户自己的代码用来实现ＰＸＩ读写功能［９－１０］㊂用户代码的操作句柄为ＮＴＳＴＡＴＵＳＰｃｉｔｉｏＤｅｖｉｃｅ：：ＰＣＩＴＩＯ＿ＩＯＣＴＬ＿ＩＮＴＣＳＲ＿Ｈａｎｄｌｅｒ（ＫＩｒｐＩ），用来实现ＰＸＩ读写操作㊂４㊀测试控制ＬＶＤＳ采集发来的一路数据，并通过ＰＸＩ接口发送给计算机的上位机㊂以收到的一路数据为例，如图１０所示，上位机收到的部分数据㊂ １４６Ｆ 作为数据帧头， ＥＢ９０ 作为数据帧尾，中间为数据，从０１到ＦＦ一共２５５个字节㊂图１０㊀数据帧格式上位机接收完毕后，点击软件上的 读取数据 按钮，设备开始读出的数据同时将数据保存到计算机中㊂上位机软件上传数据界面如图１１所示㊂图１１㊀上位机上传数据界面数据完全保存之后，点击软件上的 数据分析 按钮对数据中的丢帧和错误帧进行分析等㊂分析结果如图１２所示㊂一共收到２０４８ＭＢｙｔｅ数据，总帧数为７Ｃ９７Ｄ９㊂经软件分析没有出误码或数据丢失情况，数据传输稳定可靠㊂板卡的测速界面，如图１３所示㊂上位机对从ＰＸＩ接口收到的数据执行１５００次读取操作，一次读取５１２ＫＢ，图１２㊀数据分析结果通过测试得知，一共用了７ｓ完成１５００次采集，根据速度公式：１５００ˑ０．５ＭＢ／７ｓ＝１０７ＭＢ／ｓ，速度较快㊂图１３㊀上位机界面５㊀结束语该设计单独使用ＦＰＧＡ实现了ＰＸＩ接口，节约了ＰＣＩ９０５４㊁ＰＣＩ９０５２等专用ＰＣＩ芯片，可以降低成本，加快ＰＸＩ接口的开发周期㊂同时，速度可以到达１０７ＭＢ／ｓ，误码率和数据丢失情况基本为０㊂再结合ＬＶＤＳ㊁ＰＸＩ和ＦＰＧＡ优点可以有效解决采集设备与计算机的高速数据传输问题㊂参考文献：［１］㊀杨文豪．基于ＰＸＩ总线的高速图像采集模块的设计与实现［Ｄ］．太原：中北大学，２０１７．［２］㊀闵亚军．基于ＰＸＩ总线的模数转换模块设计与实现［Ｄ］．成都：电子科技大学，２０１７．［３］㊀樊刘华，彭旭锋，张跃林．基于双通信接口的多通道信号源设计［Ｊ］．电子器件，２０１７（４）：８３３－８３７［４］㊀张鹏飞，冯春阳，王玮，等．基于ＰＸＩ总线的Ａ／Ｄ数据采集模块设计［Ｊ］．电子技术应用，２０１２，３８（１１）：８７－９０．［５］㊀来卫国．１０位ＢＬＶＤＳ串化器ＤＳ９２ＬＶ１０２３和解串器ＤＳ９２ＬＶ１２２４的原理及应用［Ｊ］．电子设计工程，２００２（８）：４５－４７．［６］㊀薛隆全，文丰，张时华．基于ＬＶＤＳ总线的高速长距数据传输的设计［Ｊ］．电子设计工程，２００９，１７（２）：４５－４６；４８．［７］㊀代云启．ＰＸＩ总线高速数据采集模块研制［Ｄ］．桂林：桂林电子科技大学，２００９．［８］㊀孟庆辉．基于ＦＰＧＡ的ＰＣＩ接口设计［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００６．［９］㊀郭凡．ＰＸＩ总线接口的设计与应用［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００９．［１０］㊀方明．基于ＦＰＧＡ开发的ＣＰＣＩ总线多功能卡及ＷＤＭ驱动程序设计与实现［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００９．作者简介：白宏义（１９９３ ），硕士研究生，主要研究方向为动态测试㊁数据采编存储㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：１２４８４２６８７６＠ｑｑ．ｃｏｍ李锦明（１９７１ ），副教授，主要研究方向为动态测试㊁智能仪器技术㊂。
PCB高速板4层以上的设计经验(综合)
PCB高速板4层以上的设计经验PCB高速板4层以上的布线经验：1、3点以上连线，尽量让线依次通过各点，便于测试，线长尽量短。
2、引脚之间尽量不要放线，特别是集成电路引脚之间和周围。
3、不同层之间的线尽量不要平行，以免形成实际上的电容。
4、布线尽量是直线，或45度折线，避免产生电磁辐射。
5、地线、电源线至少10-15mil以上（对逻辑电路）。
6、尽量让铺地多义线连在一起，增大接地面积。
线与线之间尽量整齐。
7、注意元件排放均匀，以便安装、插件、焊接操作。
文字排放在当前字符层，位置合理，注意朝向，避免被遮挡，便于生产。
8、元件排放多考虑结构，贴片元件有正负极应在封装和最后标明，避免空间冲突。
9、目前印制板可作4—5mil的布线，但通常作6mil线宽，8mil线距，12/20mil焊盘。
布线应考虑灌入电流等的影响。
10、功能块元件尽量放在一起，斑马条等LCD附近元件不能靠之太近。
11、过孔要涂绿油（置为负一倍值）。
12、电池座下最好不要放置焊盘、过空等，PAD和VIL尺寸合理。
13、布线完成后要仔细检查每一个联线（包括NETLABLE）是否真的连接上（可用点亮法）。
14、振荡电路元件尽量*近IC，振荡电路尽量远离天线等易受干扰区。
晶振下要放接地焊盘。
15、多考虑加固、挖空放元件等多种方式，避免辐射源过多。
高速PCB过孔设计技巧在高速PCB板设计中，过孔设计是一个重要因素，它由孔、孔周围的焊盘区和POWER层隔离区组成，通常分为盲孔、埋孔和通孔三类。
在PCB板设计过程中通过对过孔的寄生电容和寄生电感分析，总结出高速PCB板过孔设计中的一些注意事项。
目前高速PCB板的设计在通信、计算机、图形图像处理等领域应用广泛，所有高科技附加值的电子产品设计都在追求低功耗、低电磁辐射、高可靠性、小型化、轻型化等特点，为了达到以上目标，在高速PCB板设计中，过孔设计是一个重要因素。
1、过孔过孔是多层PCB板设计中的一个重要因素，一个过孔主要由三部分组成，一是孔；二是孔周围的焊盘区；三是POWER层隔离区。
LVDS信号完整性分析及高速背板设计
持正确的一种特性。 是研究数字设１和模拟设计的一门中间学科， １ ５ １ 一 它除了 研究有关振铃、
串扰、 接地反弹和电源噪声等方面的问题外， 它还研究如何建立一个真实有效的高速数字系
统的设计 问题。５ 研究的 目标是确保 司靠的数据传输。 １
如果将多媒体通讯称之为信息高速公路的 那么高速互连技术则可以 话， 称作信号高速公
路。 如何构建这条信号 高 的．速公路就是目 前信号完整性研究的核心问 随着时钟进入 Ｇ ２ 题。 日 之后，互连技术将碰到越来越多的难题和挑战。互连技术土要可分为以下 ６ 级：
粼瓢馨蒸； 鬓薰鬓薰瓢耀黔 纂鬓鬃蘸鬓蒸薰蘸鬓翼矍黝翼鬓黝馨鬓罐 蘸馨
０级互连
１级互连 ２级互连 ３级互连
半导体互连，即芯片内的互连
封装
单板 背板
４级互连 ５级互连
框间与柜间互连 机房间以及更广义的互连
东南大学硕十学位论文
Ｖ Ｓ信号完整性分析及高速背板设计 ＬＤ
，． ．２信号完整性的定义与 １ 研究对象［ ｌ ３ ］ ４ １
信号完整性 ５ 是指信号未受到损伤的一种状态， （ ） １ 它表示信号质量在信号传输后仍保
Ｍ Ｅ ａｄ ａ ： ｕ ｉ ｏｇ Ｓ ＥＣ ｎ ｉ ｔ Ｈ ｊ ｓ ｎ ｄｅ ｎ Ｓ Ｐ ｒｓ ｒＰｏ． ｈ Ｘａ ｗ ｉ ｕｅ ｉ ： ｒ Ｚ ｕ ｉ ｅ ｖ ｏ ｆ ｏ Ｐ ｆＨ ｎ ｗｅ ｏ ｒ ． ｏｇ ｉ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒＣ
Ｗｉ ｔ ｒ ｉ ｅｅ Ｐ ｅｔｆｕｅｔ ｔ ａｏ ｎ ｌｅｃ ｎＣｏ ｔ ｈｏ ｇ， ｅ Ｐ ｄＶｌ ｍ ｎｏｃｒ ｎｉｅｒ ｉ ａｄｎ ｒ ｎｅｔｎ ｃｎｌ ｙ ｈ ｔｈ ａｄ ｈ ｅ ０ ｒ ｎ ｇ ｔｎ ｔ ｏ ｉｅ ｏ ｔ ｏｅ ｔｇｃ Ｃ ｒ ｑｅＣ ｆ ｈ ｎｉ ， ｈ 一一 ｌ ｂａ 一一ｏｒ ａｅａ ｂｅ Ｐｒｉ Ｉ ｋｆ ｕｎｙｏ ｃｉ ｓ ｅ ｃｉｔ ｃ Ｐ ｏｒ ｔ ｂａ ａｎ ｏ ｅ Ｐｉ ｄ Ｐｏ ｈ ， ｄ ｏ ｄｈｖ ｌ ｅｎ ｌ
LVDS信号的PCB设计
LVDS信号的PCB设计1、LVDS信号的工作原理和特点对于高速电路，尤其是高速数据总线，常用的器件一般有：ECL、BTL、GTL和GTL＋等。
这些器件的工艺成熟，应用也较为广泛，但都存在一个共同的弱点，即功耗大。
新兴的CMOS工艺的低电压差分信号器件（即Low Voltage Differencial Signal 简称LVDS ）给了我们另一种选择。
可以说LVDS器件为高速低功耗电路设计提供了新的选择，得到广大硬件工程师的钟爱。
LVDS器件的工作原理如下：其中发送端是一个为3.5mA的电流源，产生的3.5mA的电流通过差分线的其中一路到接收端。
由于接收端对于直流表现为高阻，电流通过接收端的100欧姆的匹配电阻产生350mA 的电压，同时电流经过差分线的另一条流回发送端。
当发送端进行状态变化时它通过改变流经100欧姆电阻的电流的方向产生有效的'0'和'1'态。
LVDS的特点是电流驱动模式，低电压摆幅350mV可以提供更高的信号传输率，使用差分传输的方式可以使信号的噪声和EMI都减少：LVDS有以下主要特点：A、低的输出电压摆幅(350mV)B、低的信号边缘变化率, dV/dt 0.350V/0.5ns = 0.7V/nsC、差分特征是磁干扰相互抵销，消除共模噪声，减少EMI。
2、LVDS信号在PCB上的要求1)只要有LVDS信号的板最少都要有四层。
LVDS信号布在与地平面相邻的布线层。
例如，对于四层板而言，通常可以按以下进行层排布；LVDS信号层、地层、电源层、其他信号层。
2)对于LVDS信号，必须进行阻抗控制（通常将差分阻抗控制在100欧姆）。
对于不能控制阻抗的PCB布线必须小于500MIL。
这样的情况主要表现在连接器上，所以在布局时要注意将LVDS器件放在靠近连接器处，让信号从器件出来后就经过连接器到达另一单板。
同样，让接收端也靠近连接器，这样就可以保证板上的噪声不会或很少耦合到差分线上。
高速数字电路的PCB设计
高速数字电路的PCB设计随着科技的发展，高速数字电路在各个领域中的应用越来越广泛。
高速数字电路的性能和稳定性很大程度上依赖于PCB（Printed Circuit Board）的设计。
本文将介绍高速数字电路的PCB设计原则和技巧。
一、PCB设计原则高速数字电路的PCB设计需要遵循以下原则：1. 信号完整性：在高速信号传输中，信号完整性是至关重要的。
为保证信号的稳定性和减少信号干扰，应采取合适的布局和层叠设计，减少信号走线长度和阻抗不匹配。
2. EMI抑制：高速数字电路的设计容易产生电磁干扰（EMI），对周围设备和系统造成不良影响。
应采用地线分离、屏蔽、滤波等方法来抑制EMI，并遵循EMC（Electromagnetic Compatibility）标准。
3. 热管理：高速数字电路的工作频率高，容易产生较大的功耗和热量。
应合理布局散热器、添加散热片等热管理措施，防止芯片过热从而影响电路性能。
4. 容易维修：在设计PCB时，应考虑到信号线的维修和替换。
通过采用模块化设计和合理布局，可以减少维修难度和成本。
二、PCB设计技巧高速数字电路的PCB设计应遵循以下技巧：1. PCB层次布局：将电路板分为不同的层次，包括信号层、地层和电源层。
信号层应采用临近地层和电源层的布局，以降低信号传输时的阻抗。
2. 差分传输线设计：差分传输线可以减少信号间的干扰，提高信号完整性。
差分传输线的设计应注意保证两根信号线的长度和走线路径相等，并保持合适的差模阻抗匹配。
3. 地线设计：地线是保证信号完整性和抑制干扰的关键。
应该采用广泛的地面平面，减少信号回路的面积。
同时，要避免信号线和地线相交，以减少耦合噪声。
4. 综合布线：在综合布线时，要尽量缩短信号线和电源线的长度，减少信号路径中的损耗和时延，提高电路的性能。
5. 细节考虑：在PCB设计过程中，应考虑到引脚的分配、电源供应、电容和电感的布局等细节。
合理安排元件和电路的布置，可以减少干扰和噪声，提高电路的可靠性。
LVDS信号的PCB设计
Ｌ Ｄ 信 号被 广泛 应 用 于计 算机 、 信 以及 消 费 电子 Ｖ Ｓ 通
领 域 ， 并被 以 Ｐ Ｉ Ｅ ｐｅ ｓ 代表 的第三 代 Ｉ０标 Ｃ — ｘ ｒｓ 为 ／ 准 中采 用 。 Ｌ ＶＤＳ器 件 的工 作原理 如 下 ：
新兴的Ｃ Ｍ０Ｓ 艺 的低压 差 分信 号 （ ｏ ｏｔ 工 Ｌ ｗ Ｖ ｌ ． ａｅ ｆ ｒ ｔ ｌ ｉ ａ，简 称 Ｌ ＤＳ）器 件给 了我们 ｇ ｆ ｅ ｉ ｇ ｌ Ｄｉｅ ｎ ａ Ｓ ｎ Ｖ 另 一种 选择 。 Ｖ 低 压 差 分信 号 ，最早 由美 国 国家 Ｌ ＤＳ
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２ Ｌ 信 号 在 Ｐ ＶＤ ＣＢ上 的 设 计
由 ＬｖＤＳ信 号 的 工 作 原 理 及 特 点 可 以看 ： Ｌ ＶＤＳ信 号不 仅 是 差 分 信 号 ，而 且 还 是 高 速 数 字 信
（ 东电子 工 程研 究所 ２ ０ ３ 华 ３ ０ １）王 芳 戴 文
摘 要 主要介 绍了低 压差分信号 （ Ｖ Ｓ 的工作原理和特 点， ＬＤ ） 主要叙 述 了Ｌ Ｄ 的布线技巧 ， ＶＳ 如何 在 Ｐ Ｂ Ｃ 上实现 阻
LVDS在通信系统背板设计中的应用
LVDS在通信系统背板设计中的应用摘要：介绍了LVDS技术与其在通信系统背板设计中的应用。
关键词：通信共模噪声LVDS 电磁干扰无论是基站还是接入设备，越来越高的通信速率以与越来越大的系统需求，使得背板的总线越来越宽，背板的设计越来越复杂。
因此，采用新的技术来实现这样复杂的系统，就成了必然的趋势。
本文就采用LVDS(低电压差分信号)技术来设计通信系统的复杂背板进展了探讨。
一、LVDS技术特性 LVDS技术〔LVDS代表低电压差分信号〕，是用非常低的电压摆幅〔约350mv〕，在两条PCB走线或一对平衡电缆上，通过差分方式传输数据的方法；允许信号通道数据以每秒数百兆甚至数千兆位的速率传输；低摆幅和电流模式驱动输出，产生很低的噪声，且功耗非常低。
因为差分技术可以减少噪声的影响，就能用低的信号电压摆幅。
低摆幅驱动的特性意谓着数据能被非常快的转换，而且功耗也非常小〔约1.2mw〕。
因此，LVDS较容易应用于低电压通信系统，如3.3V甚至2.5V，从而保持同样的信号电平和性能。
LVDS也易于匹配终端。
无论LVDS传输介质是电缆还是PCB走线，传输介质必须与终端匹配，否那么电缆或布线上的信号会反射，干扰后续信号；适当的终端匹配就减少了不希望的电磁辐射，从而提供最正确的信号质量。
为了防止反射，LVDS需要一个终端电阻接在电缆或PCB布线上，通常用100欧姆电阻跨在差分信号线上。
LVDS器件是用CMOS工艺实现的，这样就能提供低的静态功耗。
除了负载上的功耗和静态Icc电流外,LVDS还通过其电流模式驱动设计降低系统功耗。
这个设计极大地减低了Icc的频率成份影响。
然而，TTL/CMOS收发器的动态功耗对于频率呈指数上升。
二、LVDS四种典型结构 1.点到点结构。
LVDS发送和接收常采用点到点结构，以用于在背板上两点间固定方向信号的传输。
2.点到多点结构〔见图1〕。
这种广播式结构连接多个接收端到一个发送端。
常用于背板数据分配。
对LVDS高速信号PCB布线的要求
对LVDS高速信号PCB布线的要求对LVDS高速信号PCB布线的要求： 1收发器应尽量靠近接插件减小单板上的高速信号走线长度。
2差分线的几何尺寸由差分阻抗决定。
LVDS内置100欧姆匹配差分线阻抗控制在100欧姆左右单线阻抗在50欧姆左右。
3尽量减小差分线之间的间距以利于提高共模抑制比。
4平面布线时差分线对之间最好用地线隔离如无地线差分线对之间距离应大于差分线之间的间距的2倍以上。
5TTL/CMOS信号线应远离LVDS信号线距离至少为差分线之间距离的3倍。
6LVDS差分信号线要严格等长。
7避免走线跨越地线和电源层。
8避免90度转折。
9尽量减少过孔数目。
10保持走线阻抗的连续性相邻层面的布线应垂直交叉。
11LVDS器件的每一个电源引脚都应严格去藕。
考虑各板的实际情况来决定布线策略。
高速收发器靠近接插件是走线尽量短可以减小高速信号在传输线上的衰减。
走线越细、越长衰减越大所以高速LVDS走线宽度在8mil以上。
差分线间距可以取8mil差分线对之间可以加地线地线上要隔一段距离打一些地过孔。
如果单板走线困难在高速走线较短的情况下可以使差分线对之间距离在16mil以上以减小走线串扰。
收、发走线要分开因为后向串扰比前向串扰要大。
Veribest 的测量工具较弱高速线走圆弧角较难控制差分线等长可以钝角走线。
其他信号要远离LVDS信号线最好30mil以上。
高速线要走在信号最好的走线层即相临地层与其他走线层有平面层隔开。
投板时要注明需要阻抗控制的走线层具体的阻抗控制计算有软件工具了解厂家的材料、结构规格后计算并和厂家协商。
第三讲高速PCB设计
第三讲高速PCB设计高速PCB设计是指在电子设备中进行高速信号传输的PCB布线设计。
高速信号的传输速率越高，其频率越高，波形越复杂，对PCB设计的要求也越高。
高速PCB设计的关键在于保证信号完整性、减少信号干扰和噪声，并提高信号的传输效率和可靠性。
首先，保证信号完整性是高速PCB设计的首要目标。
信号完整性是指信号在传输过程中能够保持原有的波形特征和时序关系。
为了实现信号完整性，需要遵循信号传输线的基本原则，如匹配阻抗、控制信号的传输延迟、减小信号的反射和串扰等。
匹配阻抗是指信号传输线的特性阻抗和驱动源的输出阻抗、接收端的输入阻抗之间的匹配。
通常使用差分传输线来提高信号传输的抗干扰能力。
其次，减少信号干扰和噪声也是高速PCB设计的关键。
信号干扰和噪声会导致信号失真、抖动增大以及误码率的提高。
为了减少信号干扰和噪声，可以采取以下措施：布局合理，将高频和低频信号分开布局，并采用屏蔽、隔离和距离阻隔等措施；使用电源和地线的抗干扰设计，采用分析电源和地线的布线方向，减小供电线上的回流环路；使用合适的解耦电容和滤波电容来过滤电源中的噪声。
最后，提高信号的传输效率和可靠性也是高速PCB设计的一项重要任务。
提高信号的传输效率可以通过优化信号的传输线路、增强信号的驱动能力和改善信号的接收灵敏度等方式来实现。
优化信号的传输线路包括减小传输线路的长度和阻抗变化、优化信号传输线的走向等。
增强信号的驱动能力可以采用提高驱动电流和降低输出电阻的方法。
改善信号的接收灵敏度可以通过增大接收电路的增益和降低信号的噪声背景。
总结起来，高速PCB设计需要充分考虑信号完整性、信号干扰和噪声的影响因素，并通过匹配阻抗、减少信号反射和串扰、布局合理、抗干扰设计、合适的解耦电容和滤波电容等措施来保证信号的传输效率和可靠性。
高速PCB设计对于电子设备的性能和稳定性有着重要的影响，是电子工程师需要重视和掌握的技能之一。
LVDS技术及其在高速PCB设计中的应用
丽
２ ０ ０７ 第 ０ ３ 期
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维普资讯
认 证 与 电 磁 兼 容 卷
Ｃ ｅｒ … Ｃａｔ ０ｎ ＆ ｔ ｉ Ｅ Ｍ Ｃ
终 端 匹 配 电 阻 ， 在 接 收 器 输 入 端 并
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
电 特 性 ，并 建 议 了 最 大 传 输 速 率 及 理 论 极 限 速 率 等 参 数 。Ａ Ｓ ／ Ｉ ／ Ｎ ＩＴ Ａ Ｅ Ａ ６ ４ Ａ ２ ０ 是 其 修 订 本 ，该 标 Ｉ－ ４ － 一 ０ １ 准 只 规 定 了 ＬＤ Ｖ Ｓ信 号 电 平 ，传 输 介
去 ，只 有 些 许 边 缘 场 会 向 外 泄 漏 。
使 得 Ｌ Ｄ 在 种 类 繁 多 的 各 种 应 用 ＶＳ 中大 有 用 武之 地 。
据 传 输 标 准 ， 由 于 在 速 度 、噪 声 、 Ｅ Ｉ Ｅ ｃ、功 耗 、成 本 等 方 面 所 固 Ｍ／ Ｍ 有 的 限 制 ，使 其 越 来 越 难 以 胜 任 实 际 应 用 。而 Ｌ Ｄ Ｖ Ｓ以 其 大 的 信 噪 比 、 低 电 压 、低 功 耗 、低 Ｅ Ｉ以 及 有 利 Ｍ 于 高 速 传 输 等 方 面 的 优 点 ，得 到 越 来 越 多 板 级 以 及 系 统 级 设 计 工 程 师
提 出 的 一 种 高 速 信 号 传 输 电 平 ，此
后 ，Ｌ Ｓ在 下 列 两 个 标 准 中 作 了 定 ＶＤ
１ Ｖ Ｓ 术 Ｌ Ｄ 技
ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏ１ｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｍ
PCB设计中高速信号优化的方法
PCB 设计中高速信号优化的方法
随着人们对电子产品更高性能的追求，半导体技术不断的发展，信号工
作频率不断提高，信号的上升或下降时间也因此不断的缩短，造成了传输线
上信号的反射、串扰等信号完整性问题。
我们在进行PCB 设计时，不得不考虑信号如何才能在印制板的印制线上更好的传输而不发生畸变。
本文以
LVDS 信号为例，说明PCB 设计中高速信号的通常优化方法。
LVDS(Low Voltage Differential Signaling,低电压差分信号）是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分PCB 线对或平衡电缆上以几百Mbps 的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。
LVDS 信号不仅是差分信号，而且是高速数字信号。
因此，对用来传输LVDS 的PCB 线对必须采取措施，以防止信号在媒质终端发生反射，同时应减少电磁干扰以保证信号的完整性。
在PCB 布线时需要注意的一些问题如下。
（1）采用多层板结构形式，由于LVDS 信号属于高速信号，故与其相邻
的层应为地层，且应对LVDS 信号进行屏蔽以防止干扰。
对于密度不是很大
的板子，在物理空间条件允许的情况下，最好将LVDS 信号与其他信号分别
入在不同的层。
（2）控制传输线阻抗，各类差分线的阻抗要求是不同的，根据设计要求，通过阻抗计软件算出差分阻抗和对应的线宽间距，并设置到约束管理器。
差
分线通过互相耦合来减少共模干扰，在条件许可的情况下要尽可能平行布
线，两根线中间不能有过孔或其他信号。
差分对需要严格控制相位，所以对
内需要严格控制等长。
LVDS原理、pcb布线
LVDS原理与应用简介1 LVDS信号介绍LVDS：Low Voltage Differential Signaling，低电压差分信号。
LVDS传输支持速率一般在155Mbps（大约为77MHZ）以上。
LVDS是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。
IEEE在两个标准中对LVDS信号进行了定义。
ANSI/TIA/EIA-644中，推荐最大速率为655Mbps，理论极限速率为1.923Mbps。
1.1 LVDS信号传输组成TTL TTLLVDS差分接收器图1 LVDS信号传输组成图LVDS信号传输一般由三部分组成：差分信号发送器，差分信号互联器，差分信号接收器。
差分信号发送器：将非平衡传输的TTL信号转换成平衡传输的LVDS信号。
通常由一个IC来完成，如：DS90C031差分信号接收器：将平衡传输的LVDS信号转换成非平衡传输的TTL信号。
通常由一个IC来完成，如：DS90C032差分信号互联器：包括联接线（电缆或者PCB走线），终端匹配电阻。
按照IEEE规定，电阻为100欧。
我们通常选择为100，120欧。
1.2 LVDS信号电平特性LVDS物理接口使用1.2V偏置电压作为基准，提供大约400mV摆幅。
LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成（通常电流为3.5mA），LVDS接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过100Ω 的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350mV 的电压。
电流源为恒流特性，终端电阻在100――120欧姆之间，则电压摆动幅度为：3.5mA * 100 = 350mV ；3.5mA * 120 = 420mV 。
下图为LVDS 与PECL （光收发器使用的电平）电平变化。
图2 LVDS 与PECL 电平图示由逻辑“0”电平变化到逻辑“1”电平是需要时间的。
LVDS信号的PCB设计
LVDS信号的PCB设计
王芳;戴文
【期刊名称】《印制电路信息》
【年(卷),期】2006(000)009
【摘要】主要介绍了低压差分信号(LVDS)的工作原理和特点,主要叙述了LVDS的布线技巧,如何在PCB上实现阻抗控制、延时要求等.
【总页数】4页(P28-31)
【作者】王芳;戴文
【作者单位】华东电子工程研究所,230031;华东电子工程研究所,230031
【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
1.通过低电压差分信号(LVDS)传输高速信号 [J],
2.LVDS信号的PCB设计和仿真分析 [J], 吴杰
3.LVDS技术及其在高速PCB设计中的应用 [J], 魏丽丽
4.基于低压差分信号(LVDS)总线的数字信号源设计与实现 [J], 侯利民;苏淑靖
5.LVDS与高速PCB设计 [J], 徐孟祥;张尔扬
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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 。
第 31卷第 5期 2005年 5月
EL
电子工 ECTRON IC
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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)
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。
Z d iff
= 2Z0
1 - 0. 48exp
- 0. 96S H
带状差分线为 :
Z d iff
= 2Z0
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
·39·
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·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 。
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。
(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)
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 。
(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
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 :
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。
【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 。
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
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 。
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. 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 。
关键词 : LVDS, 阻抗分析 , 阻抗计算 , PCB 设计 中图分类号 : TN41