LVDS基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)

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LVDS （Low Voltage Differential Signaling）是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù)，它使用非常低的幅度信號(hào) （250mV~450mv）通過(guò)一對(duì)平行的 PCB 走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。

在兩條平行的差分信號(hào)線上流經(jīng)的電流及電壓振幅相反，噪聲信號(hào)同時(shí)耦合到兩條線上，而接受端只關(guān)心兩信號(hào)的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號(hào)線周圍的電磁場(chǎng)也相互抵消，故差分信號(hào)傳輸比單線信號(hào)傳輸電磁輻射小得多。

此外，該傳輸標(biāo)準(zhǔn)采用電流模式驅(qū)動(dòng)輸出，不會(huì)產(chǎn)生振鈴和信號(hào)切換所帶來(lái)的尖峰信號(hào)，具有良好的EMI特性。

由于LVDS 差分信號(hào)技術(shù)降低了對(duì)噪聲的關(guān)注，所以可以采用較低的信號(hào)電壓幅度。這個(gè)特性非常重要，它使提高數(shù)據(jù)傳輸率和降低功耗成為可能。低驅(qū)動(dòng)振幅意味著數(shù)據(jù)可更快地反轉(zhuǎn)。

由于驅(qū)動(dòng)器是恒流源模式，功耗幾乎不會(huì)隨頻率而變化，而且單路的功耗非常低。

因此，采用這種技術(shù)后，只要保證一對(duì)平行傳輸線的長(zhǎng)度足夠一致，并在接受端提供良好的匹配端接阻抗技術(shù)，以減小反射信號(hào)的產(chǎn)生，就可以提供非常高的數(shù)據(jù)傳輸率。

目前，不用經(jīng)過(guò)復(fù)雜和特殊的處理，提供 840MHZ 的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)非常容易。

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LVDS 驅(qū)動(dòng)和接收

上圖為L(zhǎng)VDS 的工作原理示意圖，其驅(qū)動(dòng)器由個(gè)恒流源（通常為 3.5mA）驅(qū)動(dòng)一對(duì)差分信號(hào)線組成。在接收端有一個(gè)高的直流輸入阻抗（幾乎不會(huì)消耗電流），所以幾乎全部的驅(qū)動(dòng)電流將流經(jīng) 100歐的終端電阻在接收器輸入端產(chǎn)生約 350mV的電壓。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)反轉(zhuǎn)時(shí)，流經(jīng)電阻的電流方向改變，于是在接收端產(chǎn)生一個(gè)有效的〞0〞或〞1〞邏輯狀態(tài)。LVDS 技術(shù)特點(diǎn)包括：

1.高速傳輸能力，LVDS 的傳輸能力最高可達(dá) 2Gbps;

2.低電壓、低功耗，LVDS 采用 CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)功耗較低；

3.低噪聲輻射；

4.采用差分傳輸模式有較強(qiáng)的抗干擾能力；

LVDS 比傳統(tǒng)的單端信號(hào)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如并行 LVTTL/LVCNOS） 有許多優(yōu)點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)包括 EMI（電磁干擾）減少，更快的數(shù)據(jù)速率更遠(yuǎn)的擴(kuò)展傳輸距離和成本及便利性。

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對(duì)于第 2 代和第 3 代 LVDS SerDes（串行器/解串器），另一個(gè)好處是通過(guò) RBS（隨機(jī)化，DC 平衡，加擾）編碼提高系統(tǒng)可靠性和降低 EMI。靜態(tài)的顯示圖像可以包括許多相同的顏色位，這可能產(chǎn)生 DC漂移并影響信號(hào)質(zhì)量以及創(chuàng)造 EMI 峰值。RBS編碼使數(shù)據(jù)隨機(jī)化并加擾比特位的位置，移除靜態(tài)模式并確保轉(zhuǎn)換正確，然后通過(guò)平衡 DC來(lái)允許 AC耦合并提供隔離。這種編碼的最終結(jié)果是抖動(dòng)更小和通過(guò)更多的傳輸頻譜擴(kuò)展以降低 EMI。

數(shù)據(jù)速率，距離和成本/便利性

由于并行接口的數(shù)據(jù)速率非常有限，故數(shù)據(jù)速率是 LVDS 優(yōu)于 LVTTL / LVCMOS的另一個(gè)好處。如前面所述，當(dāng)許多輸出并行傳輸時(shí)，每個(gè)信號(hào)傳播越快，它產(chǎn)生的 EMI就越多。此外，信號(hào)間延時(shí)差也限制了信號(hào)可以傳播的距離，在更快的數(shù)據(jù)速率下會(huì)變得更糟。而使用 LVDS，數(shù)據(jù)速率可以更高，距離也可以延長(zhǎng)至超過(guò) 10米。由于長(zhǎng)度匹配的考慮減少以及更多的使用空間， PCB 的設(shè)計(jì)也容易很多。

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在設(shè)計(jì)過(guò)程中，請(qǐng)考慮以下幾點(diǎn)：

? EMI

LVDS 信號(hào)濾波設(shè)計(jì)主要針對(duì)如時(shí)鐘信號(hào)、總線信號(hào)做濾波設(shè)計(jì)，時(shí)鐘信號(hào)在發(fā)送端增加 RC 濾波設(shè)計(jì)，減小時(shí) 鐘對(duì)外的輻射干擾；針對(duì)差分信號(hào)，其濾波設(shè)計(jì)需在端口增加共模電感進(jìn)行濾波抑制共模噪聲。

LVDS 信號(hào)抗干擾設(shè)計(jì)分為固定路徑干擾和環(huán)境干擾。

? 固定路徑的干擾

干擾路徑一般為電源或者信號(hào)線，故 LVDS 電路設(shè)計(jì)只需要在接口增加防護(hù)設(shè)計(jì)，接口增加磁珠吸收后對(duì)地增加電容，使干擾以最快的路徑泄放掉。

? 環(huán)境干擾

這種干擾是由環(huán)境中外部源的電磁輻射引起的，通常使用諸如添加鐵氧體磁珠和電容的保護(hù)措施來(lái)減少這種干擾的影響。

? 為了減少單端信號(hào)和 LVDS信號(hào)之間的串?dāng)_，應(yīng)該遵循：

1.在同一 PCB 層上，單端信號(hào)距離 LVDS 信號(hào)至少 12 mm；2.差分線之間的距離不應(yīng)超過(guò)信號(hào)線寬度的兩倍， 電路板的厚度應(yīng)大于信號(hào)線之間的距離； 3.兩個(gè)相鄰差分對(duì)之間的距離應(yīng)大于或者等于 2 倍獨(dú)立信號(hào)線之間距離。

? 阻抗匹配

LVDS 信號(hào)設(shè)計(jì)阻抗匹配時(shí)，應(yīng)遵循：

1.PCB至少為 4層板，LVDS信號(hào)和 TTL/CMOS信號(hào)需用電源層或地層進(jìn)行隔離； LVDS的驅(qū)動(dòng)器和接收器盡可能靠近連接器放置；

2.靠近驅(qū)動(dòng)器或接收器 Vcc管腳處放置一個(gè) 4.7μF或 10μF 電容，且要考慮信號(hào)的工作頻率和電容最佳工作頻率的匹配性；

3.靠近一個(gè)驅(qū)動(dòng)器或接收器 Vcc管腳處放置至少一個(gè) 0.1μF和一個(gè) 0.001μF電容；

4.電源和地線盡量地寬以降低電源回流阻抗。

審核編輯 ：李倩