LVDS與MLVDS的區(qū)別與應(yīng)用場(chǎng)景

差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相同，相位相反。在這兩根線上的傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。信號(hào)接收端比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷發(fā)送端發(fā)送的邏輯狀態(tài)。在電路板上，差分走線必須是等長(zhǎng)、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線。

差分信號(hào)與傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線（即單端信號(hào)）走線的做法相比，其優(yōu)缺點(diǎn)分別是。
優(yōu)點(diǎn)：

1 抗干擾能力強(qiáng)。干擾噪聲一般會(huì)等值、同時(shí)的被加載到兩根信號(hào)線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

2 能有效抑制電磁干擾（EMI）。由于兩根線靠得很近且信號(hào)幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場(chǎng)的幅值也相等，同時(shí)他們的信號(hào)極性相反，按右手螺旋定則，那他們的磁力線是互相抵消的。兩根線耦合的越緊密，互相抵消的磁力線就越多。泄放到外界的電磁能量越少。

3 時(shí)序定位準(zhǔn)確。差分信號(hào)的接收端是兩根線上的信號(hào)幅值之差發(fā)生正負(fù)跳變的點(diǎn)，作為判斷邏輯0/1跳變的點(diǎn)的。而普通單端信號(hào)以閾值電壓作為信號(hào)邏輯0/1的跳變點(diǎn)，受閾值電壓與信號(hào)幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號(hào)。

4 發(fā)送端電流源始終導(dǎo)通，消除開(kāi)關(guān)噪聲帶來(lái)的尖峰（單端技術(shù)中所需要）和大電流晶體管不斷導(dǎo)通-關(guān)斷造成的電磁干擾EMI。

缺點(diǎn)：

若電路板的面積非常吃緊，單端信號(hào)可以只有一根信號(hào)線，地線走地平面，而差分信號(hào)一定要走兩根等長(zhǎng)、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。這樣的情況常常發(fā)生在芯片的管腳間距很小，以至于只能穿過(guò)一根走線的情況下。

LVDS：應(yīng)用最廣泛的差分技術(shù)

LVDS信號(hào)擺幅低，為350mv，對(duì)應(yīng)功耗很低，速率達(dá)到3.125Gbps?？偟膩?lái)說(shuō)，終接方法簡(jiǎn)單、功耗和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，使得LVDS成為幾十Mbps至3Gbps、甚至更高的應(yīng)用之首選。

圖1

Low Voltage Differential Signaling，是一種低擺幅的電流型差分信號(hào)技術(shù)。LVDS 驅(qū)動(dòng)器級(jí)在一個(gè)始終開(kāi)啟的 3.5 mA （典型值）電流源環(huán)境中運(yùn)行。需通過(guò)差分對(duì)導(dǎo)體以不同方向重新分配電流，便可形成總線上的邏輯 1 和 0。

圖2

LVDS驅(qū)動(dòng)器和接收器

由于專為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸而設(shè)計(jì)，LVDS 使用的是一種簡(jiǎn)單的端接方案。安裝在接收機(jī)輸入端的單個(gè) 100-ohm 電阻端接差分對(duì)，從而消除了反射。

由于高阻抗接收機(jī)輸入，驅(qū)動(dòng)器電流源的全部電流流經(jīng)端接電阻，從而產(chǎn)生了一個(gè) 350 mV 額定值的低、差分總線電壓。該電壓在 1.2V 共模電位左右擺動(dòng)，一般LVDS接收器可以承受至少±1V的驅(qū)動(dòng)器與接收器之間的地的電壓變化，所以在+0.2V~+2.2V的寬共模范圍內(nèi)，接收器的閾值可以保證為100mv或更低。這個(gè)組合可提供出色的噪聲裕量，對(duì)驅(qū)動(dòng)器與接收器之間的共模信號(hào)漂移的容忍度也會(huì)更好。

圖3

LVDS輸出電平

盡管低功耗、低 EMI 和高噪聲抗擾度使得 LVDS 成為高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接口選擇，但是必須運(yùn)用精心的布局技術(shù)，以避免阻抗不連續(xù)和信號(hào)時(shí)延差，否則就抵消了上述 LVDS 的好處。不管使用的LVDS傳輸媒質(zhì)是PCB線對(duì)還是電纜，都必須采取措施防止信號(hào)在媒質(zhì)終端發(fā)生反射，同時(shí)減少電磁干擾。LVDS要求使用一個(gè)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(hào)，應(yīng)該將它盡可能靠近接收器輸入端放置。LVDS驅(qū)動(dòng)器能以超過(guò)155.5Mbps的速度驅(qū)動(dòng)雙絞線對(duì)，距離超過(guò)10m。

MLVDS：一種可替代RS-485的高速、短距傳輸方案

M-LVDS將LVDS延伸到用于解決多點(diǎn)應(yīng)用中的問(wèn)題，相對(duì)于同樣多點(diǎn)應(yīng)用的RS-485和CAN技術(shù)，M-LVDS能夠以更低的功耗實(shí)現(xiàn)更高速的通信鏈路。相對(duì)于LVDS，M-LVDS驅(qū)動(dòng)輸出強(qiáng)度更高，躍遷時(shí)間可控，共模范圍更廣且面向總線空閑條件提供故障安全接收器選項(xiàng)。

RS-485和MLVDS都是通過(guò)多點(diǎn)差分總線交換二進(jìn)制數(shù)據(jù)的一種得到廣泛應(yīng)用的電氣標(biāo)準(zhǔn)。兩種技術(shù)都使用了差分信號(hào)來(lái)保證低功耗、高速和出色的抗噪聲性能。

圖4

驅(qū)動(dòng)器和接收器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

對(duì)于要驅(qū)動(dòng)信號(hào)在長(zhǎng)電纜上傳輸?shù)那闆r，RS-485有較高的擺幅和更寬的共模輸入范圍，有助于實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離。不過(guò)M-LVDS具有更高的速度，大大降低的功耗和EMI輻射。RS-485具有長(zhǎng)距離傳輸能力，一般以電纜為傳輸介質(zhì)，而M-LVDS則更多的在背板上傳輸。兩種技術(shù)共享的一個(gè)應(yīng)用是在長(zhǎng)電纜上進(jìn)行的點(diǎn)到點(diǎn)信號(hào)傳輸，100米以上推薦的是RS-485，100米以內(nèi)（一般40米以內(nèi)）更多考慮M-LVDS。

圖5

LVDS和M-LVDS共模電壓與差分輸出電壓對(duì)比

M-LVDS其實(shí)是LVDS技術(shù)的延伸，除了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，將兩者進(jìn)行比較。上圖顯示了LVDS和M-LVDS的差分輸出電壓和共模范圍規(guī)格。對(duì)于LVDS，在負(fù)載為100Ω的情況 下，輸出電壓擺幅|VOD|最小為250 mV、最大為450 mV。相較而言，M-LVDS驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度更高，在負(fù)載為 50 Ω（兩個(gè)100 Ω的端接電阻，總線的任意一端）的情況下，最小輸出電壓擺幅|VOD|為480 mV，最大值則為650mV，所以可以解決多點(diǎn)應(yīng)用中的問(wèn)題。

圖6

LVDS和M-LVDS的接收器閾值對(duì)比

接收器閾值是一種差分電平，高于或低于此電平時(shí)，接收的信號(hào)就會(huì)算作邏輯1或邏輯0。對(duì)于LVDS，正VOD >= +100 mV 對(duì)應(yīng)于邏輯1，負(fù)VOD <= ?100 mV則對(duì)應(yīng)于邏輯0。對(duì)于1類M-LVDS接收器，正VOD ≥ +50 mV對(duì)應(yīng)于邏輯1，負(fù) VOD ≤ ?50 mV則對(duì)應(yīng)于邏輯0。兩個(gè)電壓閾值之間是躍遷區(qū)。

圖7

部分典型LVDS和M-LVDS應(yīng)用中的 電纜長(zhǎng)度(雙絞線)與數(shù)據(jù)速率

LVDS和M-LVDS傳輸距離均受兩個(gè)主要因素的影響:傳輸介質(zhì)和數(shù)據(jù)速率。
PCB走線通常允許大約幾十厘米的傳輸距離，雙絞線電纜用于LVDS時(shí)允許大約幾米的傳輸距離，由于驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度更高，M-LVDS一般能通過(guò)更長(zhǎng)的電纜進(jìn)行傳輸，允許幾十米。更高的數(shù)據(jù)速率會(huì)極大地限制傳輸距離；1Gbps下的LVDS或許只能通過(guò)1米的優(yōu)質(zhì)電纜+額外的信號(hào)調(diào)理進(jìn)行傳輸，但是在100 Mbps條件下傳輸距離可能達(dá)到10米 。