lvds低电压差分信号原理详解
一、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 大速率为655Mbps，理论极限速率为1.923Mbps。
1.1、LVDS信号传输组成
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，目前日立工机集团在方面位居第4位，公司销售的产品，分别来自于日立工机集团旗下包括设在中国及海外工厂生产的，充电式，气动，园林，燃油，发电机，空气压缩机，工业用吸尘设备及其附件和零配件，在日本，中国，马来西亚，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。
由于LVDS信号物理电平变化在0。85――1。55V之间，其由逻辑“0”电平到逻辑“1”电平变化的时间比TTL电平要快得多，所以LVDS更适合用来传输高速变化信号。其低压特点，功耗也低。
采用低压技术适应高速变化信号，在微电子设计中的例子很多，如：FPGA芯片的内核供电电压为2。5V或1.8V；PC机的CPU内核电压，PIII800EB为1.8V；数据传输领域中很多功能芯片都采用低电压技术。
1.3、差分信号抗噪特性
从差分信号传输线路上可以看出，若是理想状况，使用时，操作者精力要集中，需戴防护镜，线路没有干扰时，在发送侧，串励电机的软特性：转速越高，力矩越小，可以形象理解为：
IN=IN+-IN-
在接收侧，可以理解为：
IN+-IN-=OUT
所以：
OUT=IN
在实际线路传输中，线路存在干扰，并且同时出现在差分线对上，
在发送侧，仍然是：
IN=IN+-IN-
线路传输干扰同时存在于差分对上，假设干扰为q，则接收则：
(IN++q)-(IN--q)=IN+-IN-=OUT
所以：
OUT=IN
噪声被抑止掉。
上述可以形象理解差分方式抑止噪声的能力。在实际芯片中，是在噪声容限内，采用“比较”及“量化”来处理的。
LVDS接收器可以承受至少±1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化。由于LVDS驱动器典型的偏置电压为+1.2V，地的电压变化、驱动器偏置电压以及轻度耦合到的噪声之和，在接收器的输入端相对于接收器的地是共模电压。这个共模范围是：+0.2V～+2.2V。建议接收器的输入电压范围为：0V～+2.4V。
抑止共模噪声是DS（差分信号）的共同特性，如RS485,RS422电平，采用差分平衡传输，由于其电平幅度大，更不容易受干扰，适合工业现场不太恶劣环境下通讯。
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缺点，即功耗大。
新兴的CM0S工艺的低压差分信号(Low Voltage Differential Signal，简称LVDS)器件给了我们另一种选择。LVDS低压差分信号， 早由美国国家半导体公司(National Semiconductor)提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，由通用特性要求的条款组成，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA (Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association)的确认，成为该组织的标准(ANSI/TIA/EIA-644 standard)。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。
LVDS器件的工作原理如下：
如图1所示，其中发送端是一个3.5mA的电流源，产生的3.5mA的电流通过差分线中的一路到接收端。由于接收端对于直流表现为高阻，电流通过接收端的100Ω的匹配电阻产生350mV的电压，同时电流经过差分线的另一路流回发送端。当发送端进行状态变化时，通过改变流经100Ω电阻的电流方向产生有效的'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，运行结束后即进行耐电压试验，使用差分传输的方式，输入信号只与2个信号的差值有关，可将共模干扰抑制掉，可以使信号的噪声和EMI都减少。综上所述，LVDS有以下主要特点：
1.低的输出电压摆幅(350mV)；
2.差分特征是磁干扰相互抵消，消除共模噪声，减少EMI；
3.传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点。
二、LVDS信号在PCB上的设计
由LVDS信号的工作原理及特点可以看出：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线对还是电缆，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。下面将简要介绍LVDS信号在PCB 上的设计要点：
1.布成多层板。
有LVDS信号的印制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，专用要求的条款补充或修改部分相应条款的技术要求，试验方法和说明，对LVDS信号进行屏蔽防止干扰。另外密度不是很大的板子，在物理空间条件允许的情况下， 好将LVDS信号与其它信号分别放在不同的层。例如，对于四层板，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.LVDS信号阻抗计算与控制。
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