一文解讀LVDS(低電壓差分信號)

1 LVDS信號介紹LVDS：Low Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號。LVDS傳輸支持速率一般在155Mbps（大約為77MHZ）以上。LVDS是一種低擺幅的差分信號技術(shù)，它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以幾百M(fèi)bps的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)了低噪聲和低功耗。IEEE在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對LVDS信號進(jìn)行了定義。ANSI/TIA/EIA-644中，推薦最大速率為655Mbps，理論極限速率為1.923Mbps。1.1 LVDS信號傳輸組成

圖1 LVDS信號傳輸組成圖LVDS信號傳輸一般由三部分組成：差分信號發(fā)送器，差分信號互聯(lián)器，差分信號接收器。差分信號發(fā)送器：將非平衡傳輸?shù)腡TL信號轉(zhuǎn)換成平衡傳輸?shù)腖VDS信號。通常由一個(gè)IC來完成，如：DS90C031差分信號接收器：將平衡傳輸?shù)腖VDS信號轉(zhuǎn)換成非平衡傳輸?shù)腡TL信號。通常由一個(gè)IC來完成，如：DS90C032差分信號互聯(lián)器：包括聯(lián)接線（電纜或者PCB走線），終端匹配電阻。按照IEEE規(guī)定，電阻為100歐。我們通常選擇為100，120歐。1.2 LVDS信號電平特性LVDS物理接口使用1.2V偏置電壓作為基準(zhǔn)，提供大約400mV擺幅。LVDS驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)驅(qū)動(dòng)差分線對的電流源組成（通常電流為3.5mA），LVDS接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動(dòng)器輸出的電流大部分都流過100Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約350mV 的電壓。電流源為恒流特性，終端電阻在100――120歐姆之間，則電壓擺動(dòng)幅度為：3.5mA * 100 = 350mV ；3.5mA * 120 = 420mV 。下圖為LVDS與PECL（光收發(fā)器使用的電平）電平變化。

由邏輯“0”電平變化到邏輯“1”電平是需要時(shí)間的。 由于LVDS信號物理電平變化在0。85――1。55V之間，其由邏輯“0”電平到邏輯“1”電平變化的時(shí)間比TTL電平要快得多，所以LVDS更適合用來傳輸高速變化信號。其低壓特點(diǎn)，功耗也低。 采用低壓技術(shù)適應(yīng)高速變化信號，在微電子設(shè)計(jì)中的例子很多，如：FPGA芯片的內(nèi)核供電電壓為2。5V或1.8V；PC機(jī)的CPU內(nèi)核電壓，PIII800EB為1.8V；數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中很多功能芯片都采用低電壓技術(shù)。

1.3 差分信號抗噪特性 從差分信號傳輸線路上可以看出，若是理想狀況，線路沒有干擾時(shí)，在發(fā)送側(cè)，可以形象理解為：IN=IN+-IN-在接收側(cè)，可以理解為：IN+-IN-=OUT所以：OUT=IN在實(shí)際線路傳輸中，線路存在干擾，并且同時(shí)出現(xiàn)在差分線對上，在發(fā)送側(cè)，仍然是：IN=IN+-IN-線路傳輸干擾同時(shí)存在于差分對上，假設(shè)干擾為q，則接收則：(IN++q)-(IN--q)=IN+-IN-=OUT所以：OUT=IN噪聲被抑止掉。 上述可以形象理解差分方式抑止噪聲的能力。在實(shí)際芯片中，是在噪聲容限內(nèi)，采用“比較”及“量化”來處理的。 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。由于LVDS驅(qū)動(dòng)器典型的偏置電壓為+1.2V，地的電壓變化、驅(qū)動(dòng)器偏置電壓以及輕度耦合到的噪聲之和，在接收器的輸入端相對于接收器的地是共模電壓。這個(gè)共模范圍是：+0.2V～+2.2V。建議接收器的輸入電壓范圍為：0V～+2.4V。 抑止共模噪聲是DS（差分信號）的共同特性，如RS485,RS422電平，采用差分平衡傳輸，由于其電平幅度大，更不容易受干擾，適合工業(yè)現(xiàn)場不太惡劣環(huán)境下通訊。