LVDS信号介绍及PCB设计

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一．LVDS简介

1.１、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，推荐最大速率为655Mbps，理论极限速率为1.923Mbps。LVDS信号传输一般由三部分组成：差分信号发送器，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.

                             

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，线路没有干扰时，在发送侧，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。

 

二．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，最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，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，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，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，最好将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。
LVDS信号的电压摆幅只有350 mV，适于电流驱动的差分信号方式工作。为了确保信号在传输线当中传播时不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，通常差分阻抗为(100±10)Ω。阻抗控制的好坏直接影响信号完整性及延迟。如何对其进行阻抗控制呢?

①、确定走线模式、参数及阻抗计算。LVDS分外层微带线差分模式和内层带状线差分模式两种，分别如图2、图3所示。通过合理设置参数，阻抗可利用相关阻抗计算软件(如POLAR-SI6000、CADENCE的ALLEGRO)计算也可利用阻抗计算公式计算。图2、图3为POLAR-SI6000阻抗计算软件计算阻抗值。
阻抗计算公式计算阻抗。以上微带线和带状线种方式阻抗计算公式分别为：
(i)微带线(microstrip)
Z={87/[sqrt(εr+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)]
其中，W为线宽，T为走线的铜皮厚度，H为走到参考平面的距离，εr是PCB板材质的介电常数(dielectric Constant)。此公式必须在0.1<(W/H)<2.0及1<(εr)<15的情况才能应用。
(ii)带状线(stripline)
Z=[60/sqrt(εr)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]}
其中，H为两参考平面的距离，并且走线位于参考平面的中间。此公式适应于双线，线间距与抗成正比，必须在W/H<0.35及T/H<0.25的情况才应用。

由上面两公式可以看出，虽然其计算公式各不同，但阻抗值均与绝缘层厚度成正比，与介电常数、线的厚度及宽度成反比。

②、走平行等距线(如图4)。确定走线线宽及间距，在走线时要严格按照计算出的线宽和间距，两线间距要一直保持不变，也就是要保持平行(如图4示)。平行的方式有两种： 一种为两条线走在同一线层(side-by-side)，另一种为两条线走在上下相两层(over-under)。一般尽量避免使用后者即层间差分信号，因为在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，不能保证差分线的间距等于层间介质厚度，会造成层间差分对的差分阻抗变化。困此建议尽量使用同层内的差分。

 

3.紧耦合原则。
在计算线宽和间距时最好遵守紧耦合的原则，也就是差分对线间距小于或等于线宽。当两条差分信号线距离很近时，电流传输方向相反，其磁场相互抵消，电场相互耦合，电磁辐射也要小得多。

4.走短线、直线。
为确保信号的质量，LVDS差分对走线应该尽可能地短而直，减少布线中的过孔数，避免差分对布线太长，出现太多的拐弯，拐弯处尽量用45°或弧线，避免90°拐弯。

5.不同差分线对间处理。
LVDS对走线方式的选择没有限制，微带线和带状线均可，但是必须注意要有良好的参考平面。对不同差分线之间的间距要求间隔不能太小，至少应大于3～5倍差分线间距。必要时在不同差分线对之间加地孔隔离以防止相互问的串扰。

6.LVDS信号远离其它信号。
对LVDS信号和其它信号比如TTL信号，最好使用不同的走线层，如果因为设计限制必须使用同一层走线，LVDS和TTL的距离应该足够远，至少应大于3～5倍差分线间距。

7.LVDS差分信号不可以跨平面分割。
尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续(如图5箭头处所示，其中GND1、GND2为LVDS相邻的地平面)。

8.接收端的匹配电阻的布局。
对接收端的匹配电阻到接收管脚的距离要尽量靠近。如图5的矩形处为接收端的匹配电阻。

9.匹配电阻的精度要求。
对于点到点的拓扑，走线的阻抗通常控制在100Ω，但匹配电阻可以根据实际的情况进行调整。电阻的精度最好是1%～2%。因为根据经验，10%的阻抗不匹配就会产生5%的反射。

三、LVDS信号PCB设计实例
根据以上处理原则，简单介绍一块LVDS信号PCB设计实例，此板为16层多层印制板，叠层与板材(FR-4板材)关系如图6。

LVDS信号分别走在L1和L16层，L1的屏蔽层为G2，L16屏蔽层为G15(其中G2、G15是一完整的地平面)，这样不但可以减少过孔数、线短，而且每个LVDS信号层都有完整的参考地平面相邻。
利用POLAR-SI6000计算表面微带差分走线：线宽6mils，线间距为6mils，阻抗理论计算值为99.1Ω。在生产过程中通过严格控制各种参数，利用CITS500S阻抗测试仪测试附连板的阻抗值范围为(95.6～106.8)Ω，完全符合阻抗控制要求。