LVDS — 低壓差分信號必知必會

隨著數據傳輸速率越來越高,現在計算機系統中的數據傳輸接口基本上都串行化了,像USB、PCIe、SATA、DP等等外部總線將并行總線擠壓到只剩下內存總線這個最后的堡壘。當然,就算是并行傳輸總線最后的倔強DDR也在不斷吸收SERDES上的技術來提升自己,尤其是均衡器(Equalization,EQ)技術,在DDR5標準中,DRAM將被指定涵蓋DFE(判決反饋均衡)能力。

隨著信號速率的提高,在系統同步接口方式中,有幾個因素限制了有效數據窗口寬度的繼續增加。

  • 時鐘到達兩個芯片的傳播延時不相等(clock skew)
  • 并行數據各個bit 的傳播延時不相等(data skew)
  • 時鐘的傳播延時和數據的傳播延時不一致(skew between data and clock)

要提高接口的傳輸帶寬有兩種方式,一種是提高時鐘頻率,一種是加大數據位寬。那么是不是可以無限制的增加數據的位寬呢?這就要牽涉到另外一個非常重要的問題–同步開關噪聲(SSN),數據位寬的增加,SSN 成為提高傳輸帶寬的主要瓶頸。

由于信道的非理想特性,信號從Tx通過FR4 PCB板傳輸到Rx,這中間會有信號插損、回損、近/遠端串擾,再繼續提高頻率,信號會嚴重失真,這就需要采用均衡和數據時鐘相位檢測等技術,這也就是SerDes所采用的技術。

單端信號和差分信號之間的差異

單端信號即用一根走線來傳輸信號,信號由相對于地參考平面(0V GND)的電平來確定邏輯“ L”和邏輯“ H”,例如TTL接口或CMOS接口,是單端信號。

隨著速率的提高,單端信號的上升/下級沿也變得陡峭,因此,輸出開關噪聲會導致信號產生過沖和下沖,并且當多位信號同時轉換時,還要考慮地彈(ground bounce)問題,同時,單端信號以參考地平面作為信號回流路徑,這也為Layout帶來了挑戰,由傳輸線阻抗不匹配引起的反射效應會變得非常嚴重。

差分信號

差分信號有別于單端信號一根信號線傳輸信號然后參考GND作為高(H)、低(L)邏輯電平的參考并作為鏡像流量路徑的做法,差分傳輸在兩根傳輸線上都傳輸信號,這兩個信號的振幅相等,相位相差180度,極性相反,互為耦合。

差分信號的優點

差分信號的第一個好處是,因為你在控制「基準」電壓,所以能夠很容易地識別小信號。在一個參考地做「0 V」基準的單端信號傳輸系統里,測量信號的精確值依賴系統內「0 V」的一致性。信號源和信號接收器距離越遠,他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復的信號值在很大程度上與「地」的精確值無關,而在某一范圍內便可。

差分信號的第二個主要好處是,它對外部電磁干擾(EMI)是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值,這樣將忽視在兩個導體上出現的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外,差分信號比單端信號生成的EMI還要少。

差分信號提供的第三個好處是,在一個單電源系統,能夠從容精確地處理雙極信號。為了處理單端,單電源系統的雙極信號,我們必須在地和電源干線之間某任意電壓處(通常是中點)建立一個虛地。用高于虛地的電壓來表示正極信號,低于虛地的電壓來表示負極信號。接下來,必須把虛地正確地分布到整個系統里。而對于差分信號,不需要這樣一個虛地,這就使我們處理和傳播雙極信號有一個高真度,而無須依賴虛地的穩定性。

隨著集成電路的發展和對更高數據速率的要求,低壓供電成為急需。降低供電電壓不僅減少了高密度集成電路的功率消耗,而且減少了芯片內部的散熱,有助于提高集成度。減少供電電壓和邏輯電壓擺幅的一個極好例子是低壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling LVDS)。

低電壓差分信號(LVDS)是一種高速點到點應用通信標準。 多點LVDS (M-LVDS)則是一種面向多點應用的類似標準。LVDS和M-LVDS均使用差分信號,通過這種雙線式通信方法,接收器將根據兩個互補電信號之間的電壓差檢測數據。這樣能夠極大地改善噪聲抗擾度,并將噪聲輻射降至最低。

LVDS是一種用于替代發射極耦合邏輯(ECL)或正發射極耦合邏輯(PECL)的低功 耗邏輯 。LVDS的主要標準是TIA/EIA-644。有時也會對LVDS使用另一種標準,即IEEE 1596.3—SCI(可擴展一致性接口)。LVDS廣泛用于高速背板、電纜和板到板數據傳輸與時鐘分配,以及單個PCB內的通信鏈路。

LVDS的優勢包括

  • 通信速度高達1 Gbps或以上
  • 電磁輻射更低
  • 抗擾度更高
  • 低功耗工作
  • 共模范圍允許高達±1的接地失調差額

M-LVDS

面向多點低電壓差分信號(M-LVDS)的標準TIA/EIA-899將LVDS延伸到用于解決多點應用中的問題。相對于TIA/EIA-485 (RS-485)或控制器局域網(CAN),M-LVDS能夠以更低的功耗實現更高速度的通信鏈路。

M-LVDS相對于LVDS的額外特性包括

  • 驅動器輸出強度更高
  • 躍遷時間可控
  • 共模范圍更廣
  • 面向總線空閑條件提供故障安全接收器選項

為什么使用LVDS或M-LVDS?

圖1中將LVDS和M-LVDS與其他多點和點到點協議進行了比較。兩種標準都有低功耗要求。LVDS和M-LVDS的特征是在差分電壓擺幅較低的情況下實現差分信號。相對于LVDS,M-LVDS指定了更高的差分輸出電壓,以便允許來自多點總線的更高負載。

兩種協議都是面向高速通信設計的。典型應用環境下會采用PCB走線或較短的有線/背板鏈路。LVDS的共模范圍就是針對這些應用而設計。相對于LVDS,M-LVDS擴展了其共模范圍,允許多點拓撲結構中具有額外噪聲。

LVDS/M-LVDS應用考慮

  • 總線類型和拓撲結構
  • 時鐘分配應用
  • LVDS/M-LVDS信號的特性
  • 端接和PCB布局
  • 抖動和偏斜
  • 數據編碼和同步
  • 隔離

老wu這里整理了TI的《LVDS 用戶手冊》以及ADI的《LVDS和M-LVDS電路實施指南》以及若干LVDS PCB Layout Guide 文檔,需要的同學可以移步老wu的網盤下載。

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6 條評論

  • MJ

    2019年10月31日

    學習了

    • xfire

      2019年11月2日

      謝謝關注 ??

  • 一場大雨

    2019年10月29日

    贊!

    • xfire

      2019年10月29日

      謝謝關注 ??

  • 6點6

    2019年10月22日

    正在學習LVDS 很棒的資料 碼了

    • xfire

      2019年10月22日

      謝謝關注 ??

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