LVDS的接口电路设计

　　摘 要： LVDS是一种小振幅差分信号技术，使用这种技术传输速率可以达到数百兆，甚至更高； LVDS具有更低的功耗、更好的噪声性能和更可靠的稳定性。简要地介绍了LVDS的原理及优势，分析了LVDS接口设计要注意的问题，着重研究了LVDS与LVPECL、CML间的接口设计；同时给出了不同耦合方式下的电路设计图。

　　1 引 言

　　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弱点，即功耗大。此外， 采用单端信号的BTL 和GTL器件，电磁辐射也较强。目前， NS公司率先推出的CMOS工艺的低电压差分信号器件， 即LVDS给了人们另一种选择。

　　2 LVDS技术简介

　　LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号（约350 mV）通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。它允许单个信道传输速率达到每秒数百兆比特，其特有的低振幅及恒流源模式驱动只产生极低的噪声，消耗非常小的功率。

　　LVDS定义在2个国际标准中： IEEE P1596.3 （1996 年3 月通过） , 主要面向SC I （ ScalableCoherent Interface） ,定义了LVDS的电特性，还定义了SC I协议中包交换时的编码； ANSI /EIA -644 （1995年11月通过） ,主要定义了LVDS的电特性，并建议了655 Mb / s的最大速率和1. 823Gb / s的无失真媒质上的理论极限速率。在2个标准中都指定了与物理媒质无关的特性，这保证了LVDS能成为多用途的接口标准。

　　3 LVDS器件的工作原理

　　LVDS器件的工作原理如图1所示。

图1 LVDS的工作原理图

　　LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成，通常为3. 5 mA.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350 mV的电压。当驱动器翻转时，它改变流经电阻的电流方向，产生有效的逻辑"1"和逻辑"0"状态。

　　驱动器只有一个恒流源，这个差分驱动器采用奇模（Odd - mode）的传输方式，即等量的方向相反的电流分别在传输线路上传送。电流会重新回流到双绞线内，加上电流环路面积较小，因此产生最少电磁干扰。电源将供电加以限制，以免转变时产生突变电流。由于并无突变电流出现，因此数据传输速度高达1. 5 Gb / s,但又不会大幅增加功耗。此外，恒流驱动器的输出可以容许传输线路出现短路情况或接地，而且即使这样也不会产生散热上的问题。

　　差分接收器是一款高阻抗芯片，可以检测小至20 mV的差分信号，然后将这些信号放大，以至达到标准逻辑电位。由于差分信号具有1. 2 V的典型驱动器补偿电压，而接收器可以接受由接地至2. 4 V的输入电压，因此可以抑制高达±1 V来自传输线路的共模噪声。

　　由于逻辑状态之间只有300 mV 的电压差别，因此电压变化极快， 但转换速率不会加快。

　　又由于转变速度减慢，使得辐射场的强度也大幅减弱。同样，传输路线阻抗不连续性的反射也不会成为大问题，有助减低电波辐射量及信号的串扰。

　　4 LVDS与其他几种逻辑电路的接口设计

　　由于LVDS是一种新技术， 因而在使用时LVDS和其他逻辑电路的接口设计就很重要，设计时，应注意以下几个问题：

　　（1）根据系统的工作电源配置情况和需要传输的数据电平，合理选用驱动器和接收器芯片，或者根据接口芯片的情况，对被传输的数据首先进行电平转换。

　　（2） 注意阻抗匹配。根据接收器输入端的情况确定是否需要外接100 Ω 电阻，同时要根据PCB的板材和参数合理设计驱动器的线输出阻抗，使其在90~107Ω 范围内。PCB传输线要尽可能地短，因为过长的线路，不但传输衰耗加大，降低了传输速率，而且阻抗也容易失配，并可能影响到信号的完整性。

　　（3） 根据数据传输速率和传输电缆长度的关系，确定合适的电缆长度以满足系统的要求。一般地采用LVDS方式传输数据，假定负载电阻为100Ω，当双绞线长度为10 m时，传输速率可达400Mb / s;当电缆长度增加为20 m时，速率降为100Mb / s;而当电缆长度为100 m时，速率只能达到10Mb / s左右。

　　（4）多数LVDS接口芯片的使能端在片内没有接上拉或下拉电阻。如果没有驱动信号输入，它们会不确定地被直接与地或VCC相连，有可能造成逻辑错误，所以除非有特别说明，接口芯片的使能输入端不要悬空。

　　4. 1 LVDS之间的连接

　　由于LVDS的芯片内输入端一般含有匹配阻抗，因此LVDS驱动器和LVDS接收器可以用一段连接线直接相连。

　　4. 2 LVPECL 到LVDS的互连

　　4. 2. 1 直流耦合。

LVDS和LVPECL间的直流耦合要有一个转移网络，