LVDS分離器簡(jiǎn)化高速信號(hào)分配

摘要：與ECL、PECL和CML標(biāo)準(zhǔn)相比，ANSI EIA/TAI-644的低電壓差分信號(hào)(LVDS)標(biāo)準(zhǔn)具有低功耗、低噪聲輻射等優(yōu)勢(shì)。本文主要討論LVDS的特性及其可能的應(yīng)用。

最近幾年，隨著微處理器、DSP、數(shù)字ASIC時(shí)鐘頻率的提高，在一些新興領(lǐng)域中背板信號(hào)的數(shù)據(jù)速率和總線吞吐率也在穩(wěn)步提高。速率的提高使得基于TTL的單端信號(hào)的弱點(diǎn)越來(lái)越突出，主要表現(xiàn)在：功耗增大、抖動(dòng)(導(dǎo)致誤碼)、高電平輻射等，盡管一些報(bào)道認(rèn)為利用該技術(shù)速率能夠保持在50MHz以上，但是，由于傳輸線阻抗失配和串?dāng)_，以及較為困難的電源去耦問(wèn)題，迫使設(shè)計(jì)人員尋求更為有效的解決方案。

能夠提高所有總線和背板帶寬的一條途徑是增加總線寬度，但采用這種方法會(huì)增大線路板布局的難度，而且需要引腳數(shù)非常多的連接器，導(dǎo)致系統(tǒng)成本提高、而且非常笨重。當(dāng)距離超出幾個(gè)厘米時(shí)，采用串行通信方式是解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效方案。高速通信系統(tǒng)，如3G基站、路由器、加載/卸載復(fù)用器及其它設(shè)備，采用串行通信方式能夠獲得很大收益。

為了保證背板通信具有低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射，推薦用低壓差分信號(hào)(LVDS)替代TTL信號(hào)。

LVDS、ECL、PECL、CML的特征

LVDS在需要信號(hào)完整性、低抖動(dòng)(抖動(dòng)定義為信號(hào)的輸出跳變時(shí)間與理想值的偏差)及較高共模特性的系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。是目前用于高速串行接口的有效方案之一。其它標(biāo)準(zhǔn)包括(由低速到高速排列)：ECL (射極耦合邏輯)、PECL (正ECL)、CML (電流模式邏輯)，每種標(biāo)準(zhǔn)互不相同。

ECL是傳統(tǒng)的高速邏輯標(biāo)準(zhǔn)，它基于雙極型晶體差分對(duì)管，采用負(fù)偏置電源。PECL是ECL標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來(lái)，在PECL電路中省去了負(fù)電源。新一代的ECL器件具有200ps左右的延遲時(shí)間，可應(yīng)用于頻率大于3GHz的系統(tǒng)。

在現(xiàn)有的接口標(biāo)準(zhǔn)中，CML的工作速率最高，可用于千兆位數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)。與其它標(biāo)準(zhǔn)相比，它還具有一個(gè)集成的50Ω匹配電阻，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。當(dāng)每個(gè)端點(diǎn)工作在不同的電源電壓時(shí)，需外接耦合元件。

本文主要討論LVDS的特性及其可能的應(yīng)用，表1列出了LVDS相對(duì)于ECL、PECL、CML系統(tǒng)特點(diǎn)，按照EIA/TIA-644 LVDS和IEEE 1596.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LVDS采用差分信號(hào)，信號(hào)范圍為250mV至400mV、直流偏置1.2V。

表1. ECL和PECL發(fā)送器輸出信號(hào)的擺幅高于LVDS的信號(hào)擺幅，較高的輸出擺幅和較短的傳輸延時(shí)使得ECL和PECL器件具有更高的成本和功耗。

?
Differential Voltage Swing
DC Offset
Propagation Delay

LVDS的優(yōu)勢(shì)

差分特性為L(zhǎng)VDS帶來(lái)了許多優(yōu)點(diǎn)：抑制共模噪聲、自身不產(chǎn)生噪聲(假設(shè)差分信號(hào)完全同步，正、負(fù)輸出之間沒(méi)有畸變)。另外，LVDS能夠用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，便于同其它電路一起集成。

由于LVDS是差分信號(hào)，吸取電源電流的峰值較低，只需加適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙菁纯山鉀Q電源退耦問(wèn)題。通常LVDS消耗的功率低于ECL和CML，當(dāng)然，在某種程度上這取決于所采用的匹配方案。

LVDS的應(yīng)用

LVDS大多用于時(shí)鐘分配和一點(diǎn)到多點(diǎn)的信號(hào)分配。時(shí)鐘分配對(duì)于不同子系統(tǒng)需要同一參考時(shí)鐘的數(shù)字系統(tǒng)非常重要，例如：多數(shù)情況下基站的DSP需要與射頻信號(hào)處理器同步，利用鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生所需要的本振頻率，A/D轉(zhuǎn)換被鎖存到中心參考時(shí)鐘。當(dāng)與無(wú)線接收機(jī)一起工作時(shí)，還必須以盡可能低的輻射分配時(shí)鐘，以避免對(duì)小信號(hào)通路的影響。

把高速信號(hào)分配給不同單元時(shí)可以采用不同的策略，其中有兩種極端情況：一種是將一路信號(hào)源/驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)分配給所有單元(稱為“多點(diǎn)分配器”)；另一種是將多路信號(hào)分配給一個(gè)單元(稱為“多點(diǎn)至單點(diǎn)分配器)。圖1說(shuō)明了這兩種情況的區(qū)別。對(duì)于多點(diǎn)分配器，驅(qū)動(dòng)器要保證足以驅(qū)動(dòng)所有的接收器和傳輸媒介(電纜、連接器、背板)，總線通常需要在末級(jí)接收器加匹配阻抗。所有分支與總線的距離必須盡可能短，以避免引發(fā)信號(hào)完整性問(wèn)題，做到這一點(diǎn)對(duì)于目前的高密度線路板并非易事。


圖1. 多點(diǎn)信號(hào)分配允許一個(gè)發(fā)送器與多個(gè)接收器之間的通信，不需要中間接頭，也消除了接頭產(chǎn)生的干擾。

多點(diǎn)至單點(diǎn)分配結(jié)構(gòu)中需要多路驅(qū)動(dòng)器，可定義為點(diǎn)到點(diǎn)的操作，相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)器與一路本地終端接收機(jī)之間通信。這種結(jié)構(gòu)減少了信號(hào)完整性問(wèn)題，能夠保證傳輸媒介的阻抗盡可能一致，消除了多條支路產(chǎn)生的干擾。