LVDS信号的工作原理和特点.doc

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1、1LVDS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(LowVoltageDifferentialSignal，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(NationalSemiconductor)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，

2、迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA(TelecommunicationIndustryAssociation/ElectronicIndustriesAssociation)的确认，成为该组织的标准(ANSI/TIA/EIA-644standard)。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

3、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

4、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。2LVDS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

5、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。1.LVDS信号阻抗计算与控制。LVDS信号的电压摆幅只有350mV，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

6、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

7、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(dielectricConstant)。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

8、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