深度解读低压差分信号LVDS

• 文章关键词:

  LVDS

  低压差分信号

• 目前的点对点物理层接口，如RS-232、RS-422、RS-485、SCSI以及其他数据传输标准，由于在速度、噪声、EMI/EMC、功耗、成本等方面所固有的限制，使其越来越难以胜任实际的应用，所以在一些低电压工作环境中受到限制。在高速点对点数据传输中，低压差分信号（LowVoltage Differential Signaling，LVDS）技术具有可以对发射极耦合逻辑和各种高速I/O接口提供低功耗、低电压的特点。LVDS正是在这种背景下发展起来的驱动高速数据传输技术，现在广泛地应用在电信通信、数据通信和显示设备上的点对点通信中。高速数据通信可分为系统间的通信和系统内的通信，LVDS技术主要应用在系统内的数据通信，这是由于系统间的通信一般需要标准的通信协议，例如IEEE 1394、吉比特以太网等。如果在系统内使用这些协议，则在硬件和软件上的开销太大，所以简单、廉价的LVDS技术成为系统内数据通信的主要技术。LVDS技术主要应用在电路板内部、电路板与电路板之间，甚至机架与机架之间的数据通信，其传输介质为铜芯线或印制电路板连线。一、低压差分信号的电气标准LVDS最早是由美国国家半导体公司（National Semiconductor）提出的一种高速信号传输电平。国际上有两个工业标准定义了LVDS：ANSI/TIA/EIA-644（Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association）和IEEE 1996.3标准。ANSI/TIA/EIA-644（1995年11月通过）标准定义了LVDS的电气规范，包括驱动器输出和接收器输入的电气规范，但它并不包括功能性的规范、传输协议或传输介质特性。IEEE 1996.3标准（1996年3月通过）是可升级一致接口（Scalable Coherent Interface，SCI）的一个子集，该标准定义了SCI物理层接口的电气规范，它与ANSI/TIA/EIA-644相似，但ANSI/TIA/EIA-644更为一般，主要面向多重应用，而IEEE建立SCI-LVDS标准主要是为了SCI节点间的通信。ANSI/TIA/EIA-644标准定义了理论最大传输速率为1.923Gb/s，但其推荐的最大传输速率为655Mb/s；而IEEE 1996.3标准支持最大为250Mb/s的传输速率。这两个标准都指定了与物理介质无关的特性，只要介质在指定的噪声容限内将信号发送到接收器，LVDS接口均可正常工作。通常提到的LVDS标准是指ANSI/TIA/EIA-644标准，2001年ANSI/TIA/EIA-644标准已经被重新修订，电气标准如表1所示。表1 ANSI/TIA/EIA-644-A标准

  

  ANSI/TIA/EIA-644-A标准建议的最高数据传输速率为655Mb/s（限制基础上的假设），同时也提供了基于耗损介质上的理论最高传输速率为1.923Gb/s。参照此标准，以指定的最大数据传输速率是根据所需信号的质量和媒体长度/类型决定的。另一个LVDS标准出自于IEEE项目，这个标准的实现为建立一个如连接处理器、多处理系统或集团工作站到集群通用的标准作出了很大的贡献。可扩展一致性接口（SCI）原先计划为差分电路接口，提供了高数据速率的要求，但没有解决电力关注的问题。低功耗SCI-LVDS标准后来被定义为SCI的一个子集，并被IEEE确定为1596.3标准。SCI-LVDS标准还规定了针对高速/低功耗物理层接口信号水平（电气规格）类似ANSI/TIA/EIA-644-A的标准。该标准还规定了编码交换中使用SCI数据传输标准。IEEE 1596.3标准于1996年3月被批准通过，但5年期满后未延期。为了标准定义范围更宽，并没从具体的技术、介质和电压的供给上进行定义，也就是在CMOS、GaAs及其他技术上，无论是5V、3.3V，还是低于3V的电源，传输是PCB的布线或是线缆都可应用到LVDS技术。二、低压差分信号的特点低压差分信号（LowVoltage Differential Signal，LVDS）是一种低电压摆幅的通用I/O标准。LVDS的低电压摆动差分信号技术为系统提供了高速数据传输、抑制共模噪声及降低功耗的能力，从而解决了物理层点对点传输的瓶颈问题，保证了数据的高速传输。LVDS的产生降低了系统功耗，提高了芯片的集成度。单通道LVDS信号的负载（100Ω电阻）功耗大约为1.2mW，而RS-422的功耗则为90mW，约为LVDS的75倍。同时，LVDS提供更低的静态功耗，约为PECL/ECL的1/10。因此，LVDS具有如下特点。1.高数据率、低功耗在ANSI/TIA/EIA-644定义中的LVDS标准，其理论极限速率为1.923Gb/s，恒流源模式、低摆幅输出的工作模式决定着LVDS具有高速驱动的能力。LVDS典型的开关电压为350mV，使得在数据提高的同时，功耗得以降低。LVDS每通道的直流电流为3.5mA，负载功耗的计算可由下式表示。