LVDS——低压差分信号传输

1万 · 2013-9-29 18:41

LVDS——低压差分信号传输

作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI) 高级应用工程师
LVDS 是一种低压、差分信号传输方案，主要用于高速数据传输。根据 ANSI/TIA/EIA-644 规范中的定义，它是一种最为常见的差分接口。这种标准只对适合于 LVDS 应用的驱动器和接收机电气特性进行了规定。因此，它只是一种电气标准，常被一些更高级的协议标准当作其接口或物理层。
在高速模拟数字转换器 (ADC) 中使用该传输方案可在保持高转换器性能的同时实现高速数据输出。独立 ADC 必须能够驱动 PCB 线迹形式的电容性负载以及接收电路的输入逻辑。此处，ADC 输出级的一个单端驱动器会导致大量产生自开关大电流晶体管开和关的开关噪声瞬态。这些瞬态会反馈耦合至 ADC 的模拟前端，从而对其性能产生不利影响。
然而，LVDS 驱动器级在一个始终开启的 3.5 mA （典型值）电流源环境中运行（请参见图 1）。只需通过差分对导体以不同方向重新分配电流，便可形成总线上的逻辑 1 和 0。这种消除开关噪声和 EMI 的“始终开启”特性正是降低 ADC 性能的主要原因。

图 1 LVDS 驱动器和接收机
由于专为点对点信号传输而设计，LVDS 使用的是一种简单的端接方案。安装在接收机输入端的单个 100-ohm 电阻端接差分对，从而消除了反射。
由于高阻抗接收机输入，驱动器电流源的全部电流流经端接电阻，从而产生了一个 350 mV 额定值的低、差分总线电压。该电压在 1.2 V 共模电位左右摆动，其为典型驱动器输出失调电压（请参见图 2）

图 2 LVDS 总线电压电平
相比单端方案，差分信号传输还有另一个 LVDS 好处，因为它不易受到共模噪声的影响，并且产生更少的电磁干扰 (EMI)。
由于接收机只响应差分电压，因此同邻近信号线迹耦合的噪声被接收机视作共模调制，从而被拒绝。另外，由于两个差分对导体传导电流相等但极性相反，因此它们的磁场基本互相抵消，从而实现 EMI 最小化。
根据数据速率的不同，标准 LVDS IC 可以驱动长达 10 米的距离。然而，不应强制高性能 ADC 驱动这一距离。取而代之的是，建议使用两英尺以内的短输出线迹长度，以防止邻近电路的噪声耦合到 ADC 输出端，因为其可能会反馈耦合至 ADC 模拟输入端。
尽管低功耗、低 EMI 和高噪声抗扰度使得 LVDS 成为高速数据转换器的接口选择，但是必须运用精心的布局技术，以避免阻抗不连续和信号时延差，否则就抵消了上述 LVDS 的好处