LVDS接口和端接

原创老徐的技术专栏 2023-11-19 22:50

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LVDS（low-voltage differential signaling）即所谓的低压差分信号，它是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号（250~450mV）通过一对平行的PCB走线或者平衡电缆进行数据的传输，该逻辑是为了用于替代发射级耦合逻辑（ECL）或者正反射级耦合逻辑（PECL）的低功耗逻辑。其主要的应用场景是高速背板、电缆和板到板数据传输和时钟分配，以及单个PCB内的通信链路。

LVDS在两条平行的差分信号线上流经的电流以及电压振幅相反，噪声信号同时耦合到两条线上，而接收端只关心两个信号的差值，于是噪声被抵消。由于两条信号线周围的电磁场也相互抵消，所以差分信号传输比单线信号传输的电磁辐射要小的多。此外，该传输标准采用的是电流模式驱动输出，不会产生振铃和信号切换所带来的尖峰信号，具有良好的EMI特性，由于LVDS差分信号技术降低了对噪声的关注，所以可以采用较低的信号电压幅度，这个特性非常重要，它使得提高数据传输速率和降低功耗成为可能（如下表，对几种高速接口的速率进行对比），低驱动振幅意味着数据可以更快的翻转，由于驱动器是恒流源的模式，功耗几乎不会随着频率也改变，而且单路的功耗非常低。

因此，采用这种技术后，只要保证一对平行传输线的长度足够一致，并且在接收端提供良好的端接阻抗，以减小反射信号的产生，就可以提供非常高的数据传输速率。

如上图所示为LVDS的工作原理示意图，其驱动器由一个恒流源（通常为 3.5mA）驱动一对差分信号线组成。在接收端有一个高的直流输入阻抗（几乎不会消耗电流），所以几乎全部的驱动电流将流经 100Ω的终端电阻在接收器输入端产生约 350mV 的电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生一个有效的"0"或"1"逻辑状态。LVDS 技术特点包括：

1、高速传输能力，LVDS的传输能力最高可以达到2Gbps；

2、低电压、低功耗，LVDS采用CMOS工艺实现，静态功耗比较低；

3、低噪声辐射；

4、采用差分传输模式，有着比较强的抗干扰能力；

LVDS比传统的单端信号拓扑结构（比如LVTTL/LVCMOS）有许多优点，主要优点是EMI（电磁干扰）减小，更快的数据速率，更远的扩展传输距离等。

此外，从LVDS的结构原理上分析，一对差分信号线只能进行一个方向的数据传输，也就是说LVDS是一种单工通信接口，但是我们常见的接口比如 USB接口也只用了一对差分线，为什么可以双向传输呢？原因很简单，是因为LVDS使用了两对驱动器和接收器组合而成，如下图所示，所以LVDS本质上是一种半双工通信。

在实际应用过程中，LVDS的TX和RX根据不同的共模、摆幅，有不同的端接方案，甚至需要对接不同的逻辑，比如LVDS逻辑作为TX，CML逻辑为RX，需要设计其端接电路，下面详细讲解LVDS的端接方案。

1、直流耦合

直流耦合比较简单，在接收端跨接一个100的差分端接电阻即可，该端接电路应该尽量靠近接收器放置，以在接收端产生差分电压，并且作为匹配传输线阻抗，可以减小反射问题。

另一种端接方案如图2所示。它使用两个电阻分流端接，并且中间使用一个电容到地的端接方法。该电容器可滤除共模噪声并有助于抑制传输线产生偏差（这可能是由于差分线不匹配或驱动输出产生偏差）。电容器的值取决于工作频率，就像把它看作交流分量短路。0.1 µF的电容值对于大多数高数据速率（1 Mbps及更高）已足够。

2、交流耦合

图3所示为交流耦合配置下的端接。请注意：对于交流耦合，需要对传输的数据进行直流平衡（例如，使用8b/10b编码）这是一个很容易被忽视的问题，比如一些LVDS逻辑的serdes，AC耦合时，DC不平衡，会引起传输误码率变差问题。

图3中，接收器输入端的电阻网络将DC共模恢复到1.2 V（假设Vcc = 3.3 V），这处在标准LVDS接收器的输入共模范围的中间值。此外，电阻器网络在接收器的输入端提供100Ω端接。如果在LVDS接收器中集成了端接电阻，则应选择更大的电阻值，以免改变接收器输入端的有效端接电阻。建议的上拉值为10kΩ，下拉值为5.7kΩ。交流耦合电容的值取决于工作频率，因为它隔离直流分量，但是看起来就像是交流分量短路。0.1 µF的电容值对于高数据速率（1 Mbps及更高）已足够。