LVDS 个人理解
问题4:LVDS信号调研
1. LDVS信号定义
LVDS(Low-Voltage Differential Signaling ,低电压差分信号)是美国国家半导体(National Semiconductor, NS,现TI)于1994年提出的一种信号传输模式的电平标准,它采用极低的电压摆幅高速差动传输数据,可以实现点对点或一点对多点的连接,具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等优点,已经被广泛应用于串行高速数据通讯场合当,如高速背板、电缆和板到板数据传输与时钟分配,以及单个PCB内的通信链路。
LVDS技术规范有两个标准,即TIA(电讯工业联盟)/EIA(电子工业联盟)的ANSI/TIA/EIA-644标准(LVDS接口也因此称为RS-644接口)与IEEE 1596.3标准。(红色为现在的通用标准,IEEE好久没更新标准了,大家不用了)
2. LDVS信号原理
通常一个简单的点到点(point to point )LVDS的电路结构如下图所示:
其基本优势是结构简单,功耗低,速度快,抗干扰能力强,能够传输5-10m。最快是3.125Gb/S(这里我也很迷),不过网上说通过各半导体厂商独有的加工,速度可以加快。(以后看看咱们板子支持多少)。
物理层原理
接口有一个驱动器和一个接收器组成,具体如下图
通过驱动3.5mA的稳定电流电源,可在100Ω終端时,以350mV这样非常低振幅的差动信号来高速传送数据。(ABCD为开关,逻辑值为1时导通。)
工作流程(详见参考资料1或6):当A与D的逻辑值为0,B与C的逻辑值为1时,产生一个正电压。同理,当相反的时候是为负电压。
根据相关的收发流程,通常我们将LVDS接收器与发送器简化成类似下图所示(详见参考资料6):
LVDS的差动信号波形的具体示例如图所示:
将两根差动信号--正电极信号(A+)和负电极信号(B−),以1.2V的共同电压(Voc)为中心,使2个信号间以350mV的电位差摆动。然后,用探针测定示波器的差动,会得到图2这样的信号波形。
3.差分信号与单端信号的区别
单端信号(参考资料3和4)
即用一根走线来传输信号,信号由相对于地参考平面(0V GND)的电平来确定逻辑“ L”和逻辑“ H”,例如TTL接口或CMOS接口,是单端信号。
如图,特点就是一根信号线就可以了,其参考的基准电压就是地,当电压大于VH就是1(高电平);小于VL就是0(低电平),为啥高低电平不是等于某个值而是大于/小于呢? 这很好理解, 输出的电压是小范围波动的。
优点:
走线少且简单方便
缺点:
1.抗干扰性差;地势差尽可能接近, 否则一端输出低电平是0mv, 接收端却是10mv,而VL=8mv,那就变成高电平了。
2.外部电磁干扰(EMI)是免疫性差:同上,如果外界电磁干扰使得信号线有20mv的干扰电压, 如果VL=8mv那必然也是高电平。
3.随着速率的提高,单端信号的上升/下级沿也变得陡峭,因此,输出开关噪声会导致信号产生过冲和下冲,并且当多位信号同时转换时,还要考虑地弹(ground bounce)问题,同时,单端信号以参考地平面作为信号回流路径,这也为Layout带来了挑战,由传输线阻抗不匹配引起的反射效应会变得非常严重。如图所示,右边的信号如果波动很快的话不好判断阈值。
4.时序定位不准确:普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点,受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大,不适合低幅度的信号。
差分信号(参考资料3)
差分信号有别于单端信号一根信号线传输信号然后参考GND作为高(H)、低(L)逻辑电平的参考并作为镜像流量路径的做法,差分传输在两根传输线上都传输信号,这两个信号的振幅相等,相位相差180度,极性相反,互为耦合。
缺点:
信号线多增加布线难度和干扰
优点:
1. 与地势无关:信号源和信号接收器距离越远,他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。而从差分信号恢复的信号值在很大程度上与「地」的精确值无关,而在某一范围内便可。
2. 对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的:一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值,这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外,差分信号比单端信号生成的EMI还要少
3. 能够从容精确地处理「双极信号」:为了处理单端,单电源系统的双极信号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号,低于虚地的电压来表示负极信号。接下来,必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号,不需要这样一个虚地,这就使我们处理和传播双极信号有一个高真度,而无须依赖虚地的稳定性。
4. 随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求,低压供电成为急需。降低供电电压不仅减少了高密度集成电路的功率消耗,而且减少了芯片内部的散热,有助于提高集成度。减少供电电压和逻辑电压摆幅的一个极好例子是低压差分信号
差分信号相对于单端信号优势总结
l 通信速度高达1 Gbps或以上
l 电磁辐射更低
l 抗扰度更高
l 低功耗工作
l 时序定位更准确
4. 参考资料及链接:
2.LVDS自学笔记 - 知乎 (zhihu.com) (不扩展快速入门看这个就行了)
3.LVDS - 低压差分信号必知必会 - 吴川斌的博客 (mr-wu.cn)
5.LVDS Owner's Manual Design Guide, 4th Edition(用户手册)
6.高速数字逻辑电平(8)之LVDS差分信号深度详解 - 阳光&技术 - 博客园 (cnblogs.com)
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