LVDS接口電路及設(shè)計

概述
LVDS接口又稱RS-644總線接口，是20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。LVDS即低電壓差分信號，這種技術(shù)的核心是采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點或一點對多點的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點，其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)的 PCB連線，也可以是平衡電纜。LVDS在對信號完整性、低抖動及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，流行的LVDS技術(shù)規(guī)范有兩個標(biāo)準(zhǔn)：一個是TIA/EIA（電訊工業(yè)聯(lián)盟/電子工業(yè)聯(lián)盟）的ANSI/TIA/EIA－644標(biāo)準(zhǔn)，另一個是IEEE 1596.3標(biāo)準(zhǔn)。
1995 年11月，以美國國家半導(dǎo)體公司為主推出了ANSI/TIA/EIA－644標(biāo)準(zhǔn)。1996年3月，IEEE公布了IEEE 1596.3標(biāo)準(zhǔn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)注重于對LVDS接口的電特性、互連與線路端接等方面的規(guī)范，對于生產(chǎn)工藝、傳輸介質(zhì)和供電電壓等則沒有明確。LVDS可采用CMOS、GaAs或其他技術(shù)實現(xiàn)，其供電電壓可以從+5V到+3.3V，甚至更低；其傳輸介質(zhì)可以是PCB連線，也可以是特制的電纜。標(biāo)準(zhǔn)推薦的最高數(shù)據(jù)傳輸速率是655Mbps，而理論上，在一個無衰耗的傳輸線上，LVDS的最高傳輸速率可達(dá)1.923Gbps。

LVDS接口的原理及電特性
一個簡單的LVDS傳輸系統(tǒng)由一個驅(qū)動器和一個接收器通過一段差分阻抗為100Ω的導(dǎo)體連接而成，如圖1所示。驅(qū)動器的電流源（通常為3.5mA）來驅(qū)動差分線對，由于接收器的直流輸入阻抗很高，驅(qū)動器電流大部分直接流過100Ω的終端電阻，從而在接收器輸入端產(chǎn)生的信號幅度大約350mV 。通過驅(qū)動器的開關(guān)，改變直接流過電阻的電流的有無，從而產(chǎn)生“1”和“0”的邏輯狀態(tài)。在有些最新生產(chǎn)的LVDS接收器中，100Ω左右的電阻直接集成在片內(nèi)輸入端上了，如MAXIM公司的MAX9121/9122等。
在LVDS系統(tǒng)中，采用差分方式傳送數(shù)據(jù)，有著比單端傳輸方式更強(qiáng)的共模噪聲抑制能力。道理很簡單，因為一對差分線對上的電流方向是相反的，當(dāng)共模方式的噪聲耦合到線對上時，在接收器輸入端產(chǎn)生的效果是相互抵消的，因而對信號的影響很小。這樣，就可以采用很低的電壓擺幅（見表1）來傳送信號，從而可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低功耗。 表1是LVDS驅(qū)動器的主要電特性參數(shù)，

表2是接收器的主要電特性參數(shù)。

表3 是LVDS與其他幾種接口的性能比較。同為差分傳輸接口，LVDS與RS-422、PECL相比，在傳輸速率、功耗、接收靈敏度和成本等方面都有優(yōu)越性；與傳統(tǒng)的TTL/CMOS接口相比，LVDS在高速、低抖動及對共模特性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用有著無可比擬的優(yōu)勢。LVDS的低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_、低輻射和高速的性能，使得它在激光打印機(jī)、蜂窩移動電話基站、網(wǎng)絡(luò)路由器、數(shù)字交叉連接和時鐘分配系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。LVDS接口電路的設(shè)計
為便于LVDS接口電路的設(shè)計，有多家公司生產(chǎn)了專門的LVDS收發(fā)器芯片，如NI公司的DS90LV017A驅(qū)動器和 DS90LV018A接收器、TI公司的SN65LVDS31驅(qū)動器和SN65LVDS32接收器、MAXIM公司的MAX9123驅(qū)動器和 MAX9122接收器等等。不同的芯片又具有不同的電平兼容性，NI公司的DS90LV031/032采用+5V電源供電，可直接與TTL/CMOS信號接口。而MAX9123/9122則采用+3.3V的工作電源，可直接與LVTTL/LVCMOS信號接口，并且MAX9122的數(shù)據(jù)輸入端直接集成了 107Ω的終接電阻。設(shè)計LVDS接口，應(yīng)注意以下幾個問題：
1. 根據(jù)系統(tǒng)的工作電源配置情況和需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)電平，合理選用驅(qū)動器和接收器芯片，或者根據(jù)接口芯片的情況，對被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)首先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如果是 TTL/CMOS電平，可直接采用DS90LV031進(jìn)行傳輸，在對端用DS90LV032進(jìn)行接收。而如果傳輸LVTTL/LVCMOS電平的數(shù)據(jù)，就可以直接選用MAX9123/9122等低電壓接口芯片。

2. 注意阻抗匹配。既要根據(jù)接收器輸入端的情況確定是否需要外接100Ω終接電阻，同時，要根據(jù)PCB的板材和參數(shù)合理設(shè)計驅(qū)動器的線輸出阻抗，使其在 90～107Ω范圍內(nèi)。PCB傳輸線要盡可能地短，因為過長的線路，不但傳輸衰耗加大，降低了傳輸速率，而且阻抗也容易失配，并可能影響到信號的完整性。 3. 根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸電纜長度的關(guān)系，確定合適的電纜長度以滿足系統(tǒng)的要求。一般地，采用LVDS方式傳輸數(shù)據(jù)，假定負(fù)載電阻為100Ω，當(dāng)雙絞線長度為10m時，傳輸速率可達(dá)400 Mbps；當(dāng)電纜長度增加為20m時，速率降為100 Mbps；而當(dāng)電纜長度為100m時，速率只能達(dá)到10 Mbps左右。4. 多數(shù)LVDS接口芯片的使能端在片內(nèi)沒有接上拉或下拉電阻，如果沒有驅(qū)動信號輸入，它們會不確定地被直接與地或Vcc相連，有可能造成邏輯錯誤。所以，除非有特別說明，接口芯片的使能輸入端不要懸空。
圖2是采用MAXIM公司的一片MAX9123驅(qū)動器和一片MAX9122接收器設(shè)計的一個4通道LVDS點對點連接的單工接口。該接口工作電源為+3.3V，驅(qū)動器輸入和接收器輸出數(shù)據(jù)為LVTTL/LVCMOS電平。
MAX9123/9122 是四驅(qū)動器/接收器芯片，采用表面封裝形式、直通型引出腳，而且MAX 9122數(shù)據(jù)輸入端內(nèi)部并接有107Ω的電阻，不需要在電纜上再外接終端電阻了，這有助于簡化PCB板設(shè)計和降低線間串?dāng)_。該接口采用實時傳輸（使能端接固定電平），傳輸速率最高可達(dá)500 Mbps。

參考文獻(xiàn)
NI公司：LVDS Owners Manual

作者：濟(jì)南市72655部隊 司朝良