LVDS（Low-Voltage Differential Signaling ,低電壓差分信號(hào)）是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（National Semiconductor, NS，現(xiàn)TI）于1994年提出的一種信號(hào)傳輸模式的電平標(biāo)準(zhǔn)，它采用極低的電壓擺幅高速差動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于串行高速數(shù)據(jù)通訊場(chǎng)合當(dāng)中。

LVDS技術(shù)規(guī)范有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即TIA（電訊工業(yè)聯(lián)盟）/EIA（電子工業(yè)聯(lián)盟）的ANSI/TIA/EIA-644標(biāo)準(zhǔn)（LVDS接口也因此稱為RS-644接口）與IEEE 1596.3標(biāo)準(zhǔn)。

LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)采用一對(duì)（兩根）差分信號(hào)線傳輸數(shù)據(jù)。我們最常見的差分信號(hào)線就是USB（Universal Serial Bus, 通用串行總線），現(xiàn)如今，任何一臺(tái)PC電腦上都會(huì)有USB接口，它可以用來連接U盤、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、移動(dòng)硬盤等等，如下圖所示：

HDMI（High Definition Multimedia Interface, 高清晰度多媒體接口）是一種數(shù)字化音視頻接口技術(shù)，適合影像傳輸?shù)膶Ｓ眯蛿?shù)字化接口，它由4對(duì)差分線組成。我們使用的SATA（Serial Advanced Technology Attachment,串行ATA接口規(guī)范）硬盤也包含接收與發(fā)送兩對(duì)差分信號(hào)線，如下圖所示：

有過DDR3 SDRAM應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的讀者也會(huì)發(fā)現(xiàn)有幾對(duì)差分線，如下圖所示：

很遺憾地告訴大家，以上幾種接口的差分信號(hào)線使用的都不是嚴(yán)格意義上的LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)（但很多基礎(chǔ)概念都是相通的），換言之，不是所有的差分信號(hào)線都是LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)，使用差分信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w電平有很多種，LVDS只是其中之一。

比如，HDMI使用TMDS（Time Minimized Differential Signal, 最小化傳輸差分信號(hào)），DDR3使用SSTL（Stub series terminated logic,短截線串聯(lián)端接邏輯）。HDMI（TMDS）、USB與SATA使用的電平標(biāo)準(zhǔn)與LVDS很相似，但從其規(guī)范來看并不是標(biāo)準(zhǔn)的LVDS（它們也是“低電壓差分信號(hào)”，但不是我們這里所說的LVDS），不能認(rèn)為是同一種電平標(biāo)準(zhǔn)（就如同我們不能認(rèn)為5V TTL電平標(biāo)準(zhǔn)與5V CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)是相同的，盡管看起來參數(shù)差別不大），而SSTL（包括SSTL_3、SSTL_2、SSTL_18、SSTL_15）與LVDS就完全不是一個(gè)東西了。

當(dāng)然，只要是使用差分信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)用，它們對(duì)于PCB布線的要求都是大同小異的，這一點(diǎn)我們將在《高速PCB設(shè)計(jì)》專欄文章中詳述。

盡管如此（上面都不是LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)），LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)接口的應(yīng)用場(chǎng)合還是非常廣泛，LVDS接口的液晶顯示屏就是其中之一，它是LCD Panel的通用接口標(biāo)準(zhǔn)。那么到底是什么原因使得LVDS這么受青睞呢？我們從最基本的LVDS硬件收發(fā)器來談?wù)勂稹?/p>

通常大多數(shù)低速數(shù)字邏輯電平（如TTL、CMOS）是以電壓對(duì)參考地的幅值來判斷是高電平還是低電平，如下圖所示：

而LVDS卻完全不一樣，它是通過數(shù)據(jù)接收器同相端與反相端的電壓相對(duì)大小判斷高低電平的，而不是通過同相端或反相端對(duì)公共地（GND）。

LVDS的發(fā)送器與接收器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。它使用兩根線（即差分信號(hào)線）來傳輸一個(gè)信號(hào)，并且使用恒流源（Current Source）驅(qū)動(dòng)，即電流驅(qū)動(dòng)型（而TTL、CMOS之類電平標(biāo)準(zhǔn)為電壓驅(qū)動(dòng)型）。

其中，驅(qū)動(dòng)器（Driver）中的場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4（不一定是場(chǎng)效應(yīng)管，因?yàn)長(zhǎng)VDS技術(shù)規(guī)范主要側(cè)重于LVDS接口的電氣我、互連與線路端接，對(duì)于生產(chǎn)工藝、傳輸介質(zhì)及供電電壓無明確要求，也就是說，可以采用CMOS、GaAs或其它工藝實(shí)現(xiàn)，能抓到老鼠的黑貓白貓都是好貓）組成一個(gè)全橋開關(guān)電路，用來控制3.5mA恒流源的電流流動(dòng)方向，接收器（Receiver）的同相與反相端之間并聯(lián)了一個(gè)100歐姆的端接電阻，這樣電流經(jīng)過電阻即可產(chǎn)生電壓，再經(jīng)過接收器判斷就形成了高低電平。

當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通而Q1、Q4截止時(shí)，恒流源電流經(jīng)Q3流向接收器，并向下穿過100歐姆端接電阻再返回至驅(qū)動(dòng)端，最后經(jīng)Q2到地（GND），3.5mA的電流在100歐姆電阻上產(chǎn)生350mV的壓降，此時(shí)同相端電壓高于反相端電壓，輸出為高電平“H”，如下圖所示：

而當(dāng)Q2、Q3截止而Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)，恒流源電流經(jīng)Q1向右流向接收器，并向上穿過100歐姆端接電阻再返回至驅(qū)動(dòng)端，最后經(jīng)Q4到地（GND），3.5mA的電流在100歐姆電阻上也產(chǎn)生350mV的壓降，但此時(shí)同相端電壓低于反相端電壓，輸出為高電平“L”，如下圖所示：

通常我們將LVDS接收器與發(fā)送器簡(jiǎn)化成類似下圖所示：

如下圖所示（來自TI公司LVDS收發(fā)芯片SN65LVDS180數(shù)據(jù)手冊(cè)）

從LVDS結(jié)構(gòu)原理可以看出，一對(duì)差分信號(hào)線只能夠進(jìn)行一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸，即單工通信（也稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,point-to-point），但是我們常見的USB接口也只是使用一對(duì)差分信號(hào)線，為什么卻可以雙向傳輸呢？原因很簡(jiǎn)單，它是使用兩對(duì)驅(qū)動(dòng)器與接收器組合而成的，如下圖所示：

這是一種半雙工（half duplex）的配置結(jié)構(gòu)，也就是說，在任意時(shí)刻差分信號(hào)線仍然只能是往一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)，但可以分時(shí)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器1向接收器1發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器2與接收器2相當(dāng)于無效的，反之亦然。

當(dāng)然，USB總線的實(shí)際結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，如下圖所示（來自USB2.0規(guī)范，扯遠(yuǎn)了）

我們來看看如下圖所示的LVDS驅(qū)動(dòng)器電氣參數(shù)（來自TI公司LVDS收發(fā)芯片SN65LVDS180數(shù)據(jù)手冊(cè)）

上表中的VOD（Differential output voltage magnitude）即驅(qū)動(dòng)器的差分輸出電壓幅度，也就是前述在端接電阻上產(chǎn)生的350mV壓降，我們可以用下圖所示（注意：是差模信號(hào)）：

表中還有一個(gè)VOC(SS)（Steady-state common-mode output voltage）即穩(wěn)態(tài)共模輸出電壓是個(gè)什么東西呢？我也不是很明白！咱們按圖索驥找到數(shù)據(jù)手冊(cè)中的Figure 3，如下圖所示：

哦，原來是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸入數(shù)字信號(hào)（未轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)前）時(shí)，轉(zhuǎn)換出來的LVDS信號(hào)電壓對(duì)公共地的平均值，也稱為VOS（Offset Voltage，），TI公司的其它數(shù)據(jù)手冊(cè)有使用VOS如下圖所示：（來自TI公司的LVDS收發(fā)芯片型號(hào)SN65LVDS049數(shù)據(jù)手冊(cè)）

我們之前講過，當(dāng)使用LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)傳輸高低電平時(shí)，接收端收到了+350mV或-350mV的壓降只是差模信號(hào)，實(shí)際上還有一定的共模信號(hào)，它不影響接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)的判斷。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器向接收器發(fā)送高電平“H”時(shí)，其等效圖如下所示（注意：這個(gè)等效圖僅適合傳輸線非常短的條件下）：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器向接收器發(fā)送低電平“L”時(shí)，其等效圖如下圖所示

綜合以上兩種等效電路，我們有如下圖所示的電平波形圖：

換言之，當(dāng)LVDS進(jìn)行高低電平切換時(shí)，電流源的電流在換向的瞬間，端接電阻流過的電流為零，因此端接電阻兩端的電壓就是VOS（電阻兩端電壓相同，因此沒有壓降，也沒有電流），如下圖所示：

當(dāng)然，這個(gè)電流換向轉(zhuǎn)換瞬間非常短，通常只有幾百皮秒，如下圖所示：

接收器的輸入電氣參數(shù)如下圖所示：

因此我們也可以用下圖表示LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)的噪聲容限（關(guān)于噪聲容限請(qǐng)參考《邏輯門2》）

從圖中可以看到，LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)的噪聲容限約為1.075V（一般認(rèn)為其噪聲容限為 1V）這里我們只是根據(jù)TI數(shù)據(jù)手冊(cè)畫出電平標(biāo)準(zhǔn)圖，沒有做任何修改，不同廠家的信息可能略有不同。

導(dǎo)演，講了半天還沒提到為什么LVDS信號(hào)速度快、抗干擾能力強(qiáng)呀？為什么有些差分線串聯(lián)了電容？為什么不同差分線的阻抗會(huì)不一樣？了解了這些基礎(chǔ)知識(shí)，我們下節(jié)再來討論一下LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)的這些特點(diǎn)。