簡 介：介紹了lvds（低電壓差分訊號）技術的原理和應用，並討論了在單板和系統設計中應用lvds時的佈線技巧。
１ lvds介紹
lvds（low voltage differential signaling)是一種低擺幅的差分訊號技術，它使得訊號能在差分pcb線對或平衡電纜上以幾百mbps的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅動輸出實現了低雜訊和低功耗。
幾十年來，5v供電的使用簡化了不同技術和廠商邏輯電路之間的介面。然而，隨著積體電路的發展和對更高資料速率的要求，低壓供電成為急需。降低供電電壓不僅減少了高密度積體電路的功率消耗，而且減少了晶元內部的散熱，有助於提高整合度。
減少供電電壓和邏輯電壓擺幅的乙個極好例子是低壓差分訊號（lvds）。lvds物理介面使用1.2v偏置提供400mv擺幅的訊號（使用差分訊號的原因是雜訊以共模的方式在一對差分線上耦合出現，並在接收器中相減從而可消除雜訊）。lvds驅動和接收器不依賴於特定的供電電壓，因此它很容易遷移到低壓供電的系統中去，而效能不變。作為比較，ecl和pecl技術依賴於供電電壓，ecl要求負的供電電壓，pecl參考正的供電電壓匯流排上電壓值（vcc)而定。而ｇlvds是一種發展中的標準尚未確定的新技術，使用500mv的供電電壓可提供250mv 的訊號擺幅。不同低壓邏輯訊號的差分電壓擺幅示於圖１。
lvds在兩個標準中定義。ieee p1596.3(2023年３月通過)，主要面向sci(scalable coherent inte***ce)，定義了lvds的電特性，還定義了sci協議中包交換時的編碼；ansi/eia/eia-644(2023年11月通過)，主要定義了lvds的電特性，並建議了655mbps的最大速率和1.823gbps的無失真媒質上的理論極限速率。在兩個標準中都指定了與物理媒質無關的特性，這意味著只要媒質在指定的雜訊邊緣和歪斜容忍範圍內傳送訊號到接收器，介面都能正常工作。 lvds具有許多優點：①終端適配容易；②功耗低；③具有fail-safe特性確保可靠性；④低成本；⑤高速傳送。這些特性使得lvds在計算機、通訊裝置、消費電子等方面得到了廣泛應用。
圖２給出了典型的lvds介面，這是一種單工方式，必要時也可使用半雙工、多點配置方式，但一般在雜訊較小、距離較短的情況下才適用。每個點到點連線的差分對由乙個驅動器、互連器和接收器組成。驅動器和接收器主要完成ttl訊號和lvds訊號之間的轉換。互連器包含電纜、pcb上差分導線對以及匹配電阻。lvds驅動器由乙個驅動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，因此驅動器輸出的電流大部分都流過100ω 的匹配電阻，並在接收器的輸入端產生大約350ma 的電壓。當驅動器翻轉時，它改變流經電阻的電流方向，因此產生有效的邏輯″1″和邏輯″0″狀態。低擺幅驅動訊號實現了高速操作並減小了功率消耗，差分訊號提供了適當雜訊邊緣和功率消耗大幅減少的低壓擺幅。功率的大幅降低允許在單個積體電路上整合多個介面驅動器和接收器。這提高了pcb板的效能，減少了成本。
不管使用的lvds傳輸媒質是pcb線對還是電纜，都必須採取措施防止訊號在媒質終端發生反射，同時減少電磁干擾。lvds要求使用乙個與媒質相匹配的終端電阻（100±20ω），該電阻終止了環流訊號，應該將它盡可能靠近接收器輸入端放置。lvds驅動器能以超過155.5mbps的速度驅動雙絞線對，距離超過１０ｍ。對速度的實際限制是：①送到驅動器的ttl資料的速度；②媒質的頻寬效能。通常在驅動器側使用復用器、在接收器側使用解復用器來實現多個ttl通道和乙個lvds通道的復用轉換，以提高訊號速率，降低功耗。並減少傳輸媒質和介面數，降低裝置複雜性。
lvds接收器可以承受至少±1v的驅動器與接收器之間的地的電壓變化。由於lvds驅動器典型的偏置電壓為+1.2v，地的電壓變化、驅動器偏置電壓以及輕度耦合到的雜訊之和，在接收器的輸入端相對於接收器的地是共模電壓。這個共模範圍是：+0.2v～+2.2v。建議接收器的輸入電壓範圍為：0v～+2.4v。
２ lvds系統的設計
lvds系統的設計要求設計者應具備超高速單板設計的經驗並了解差分訊號的理論。設計高速差分板並不很困難，下面將簡要介紹一下各注意點。
2.1 pcb板
（a）至少使用４層pcb板（從頂層到底層）：lvds訊號層、地層、電源層、ttl訊號層；
（b）使ttl訊號和lvds訊號相互隔離，否則ttl可能會耦合到lvds線上，最好將ttl和lvds訊號放在由電源／地層隔離的不同層上；
（c）使lvds驅動器和接收器盡可能地靠近聯結器的lvds端；
（d）使用分布式的多個電容來旁路lvds裝置，表面貼電容靠近電源／地層管腳放置；
（e）電源層和地層應使用粗線，不要使用50ω佈線規則；
（f）保持pcb地線層返回路徑寬而短；
（g）應該使用利用地層返回銅線（ground return wire）的電纜連線兩個系統的地層；
（h） 使用多過孔(至少兩個)連線到電源層(線)和地層(線)，表面貼電容可以直接焊接到過孔焊盤以減少線頭。
2.2 板上導線
（a） 微波傳輸線（microstrip）和帶狀線（stripline）都有較好效能；
（b） 微波傳輸線的優點：一般有更高的差分阻抗、不需要額外的過孔；
（c） 帶狀線在訊號間提供了更好的遮蔽。
2.3 差分線
（a）使用與傳輸媒質的差分阻抗和終端電阻相匹配的受控阻抗線，並且使差分線對離開整合晶元後立刻盡可能地相互靠近（距離小於１０ｍｍ），這樣能減少反射並能確保耦合到的雜訊為共模雜訊；
（b）使差分線對的長度相互匹配以減少訊號扭曲，防止引起訊號間的相位差而導致電磁輻射；
（c）不要僅僅依賴自動佈線功能，而應仔細修改以實現差分阻抗匹配並實現差分線的隔離；
（d）儘量減少過孔和其它會引起線路不連續性的因素；
（e）避免將導致阻值不連續性的90°走線，使用圓弧或45°折線來代替；
（f）在差分線對內，兩條線之間的距離應盡可能短，以保持接收器的共模抑制能力。在印製板上，兩條差分線之間的距離應盡可能保持一致，以避免差分阻抗的不連續性。
2.4 終端
（a）使用終端電阻實現對差分傳輸線的最大匹配，阻值一般在90～130ω之間，系統也需要此終端電阻來產生正常工作的差分電壓；
（b）最好使用精度1～2%的表面貼電阻跨接在差分線上，必要時也可使用兩個阻值各為50ω的電阻，並在中間通過乙個電容接地，以濾去共模雜訊。
2.5 未使用的管腳
所有未使用的lvds接收器輸入管腳懸空，所有未使用的lvds和ttl輸出管腳懸空，將未使用的ttl傳送／驅動器輸入和控制／使能管腳接電源或地。
2.6 媒質（電纜和聯結器）選擇
（a）使用受控阻抗媒質，差分阻抗約為100ω，不會引入較大的阻抗不連續性；
（b）僅就減少雜訊和提高訊號質量而言，平衡電纜（如雙絞線對）通常比非平衡電纜好；
（c）電纜長度小於0.5m時，大部分電纜都能有效工作，距離在0.5m～10m之間時,cat 3(categiory 3)雙絞線對電纜效果好、便宜並且容易買到，距離大於10m並且要求高速率時，建議使用cat 5雙絞線對。
2.7 在雜訊環境中提高可靠性設計
lvds 接收器在內部提供了可靠性線路，用以保護在接收器輸入懸空、接收器輸入短路以及接收器輸入匹配等情況下輸出可靠。但是，當驅動器三態或者接收器上的電纜沒有連線到驅動器上時，它並沒有提供在雜訊環境中的可靠性保證。在此情況下，電纜就變成了浮動的天線，如果電纜感應到的雜訊超過lvds內部可靠性線路的容限時，接收器就會開關或振盪。如果此種情況發生，建議使用平衡或遮蔽電纜。另外，也可以外加電阻來提高雜訊容限，如圖3所示。 圖中r1、r3是可選的外接電阻，用來提高雜訊容限，r2≈100ω。
當然，如果使用內嵌在晶元中的lvds收發器，由於一般都有控制收發器是否工作的機制，因而這種懸置不會影響系統。
３ 應用例項
lvds技術目前在高速系統中應用的非常廣泛，本文給出乙個簡單的例子來看一下具體的連線方式。加拿大pmc公司的dslam（數字使用者線接入模組）方案中，利用lvds技術實現點對點的單板互聯，系統結構可擴充套件性非常好，實現了線卡上的高整合度，並且完全能夠滿足業務分散、控制集中帶來的大量業務資料和控制流通訊的要求。 圖4描述了該系統線卡與線卡之間、線卡與背板之間的連線情形，使用的都是單工方式，所以需要兩對線來實現雙向通訊。圖中示出了三種不同連線方式，從上到下分別為：存在對應連線晶元；跨機架時實現終端匹配；同層機框時實現終端匹配。在接收端串接乙個變壓器可以減小干擾並避免lvds驅動器和接收器地電位差較大的影響。
張 健 吳曉冰
LVDS技術原理和設計簡介
摘 要 介紹了lvds 低電壓差分訊號 技術的原理和應用，並討論了在單板和系統設計中應用lvds時的佈線技巧。lvds介紹 lvds low voltage differential signaling 是一種低擺幅的差分訊號技術，它使得訊號能在差分pcb線對或平衡電纜上以幾百mbps的速率傳輸，其...
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