LVDS接口電路及設(shè)計(jì)

LVDS接口又稱RS-644總線接口,是20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。LVDS即低電壓差分信號(hào),這種技術(shù)的核心是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)對點(diǎn)或一點(diǎn)對多點(diǎn)的連接,具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn),其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)的PCB連線,也可以是平衡電纜。LVDS在對信號(hào)完整性、低抖動(dòng)及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前,流行的LVDS技術(shù)規(guī)范有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：一個(gè)是TIA/EIA（電訊工業(yè)聯(lián)盟/電子工業(yè)聯(lián)盟）的ANSI/TIA/EIA－644標(biāo)準(zhǔn),另一個(gè)是IEEE 1596.3標(biāo)準(zhǔn)。

　　1995年11月,以美國國家半導(dǎo)體公司為主推出了ANSI/TIA/EIA－644標(biāo)準(zhǔn)。1996年3月,IEEE公布了IEEE 1596.3標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)注重于對LVDS接口的電特性、互連與線路端接等方面的規(guī)范,對于生產(chǎn)工藝、傳輸介質(zhì)和供電電壓等則沒有明確。LVDS可采用CMOS、GaAs或其他技術(shù)實(shí)現(xiàn),其供電電壓可以從+5V到+3.3V,甚至更低;其傳輸介質(zhì)可以是PCB連線,也可以是特制的電纜。標(biāo)準(zhǔn)推薦的最高數(shù)據(jù)傳輸速率是655Mbps,而理論上,在一個(gè)無衰耗的傳輸線上,LVDS的最高傳輸速率可達(dá)1.923Gbps。

LVDS接口的原理及電特性
　　一個(gè)簡單的LVDS傳輸系統(tǒng)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器通過一段差分阻抗為100Ω的導(dǎo)體連接而成,如圖1所示。驅(qū)動(dòng)器的電流源（通常為3.5mA）來驅(qū)動(dòng)差分線對,由于接收器的直流輸入阻抗很高,驅(qū)動(dòng)器電流大部分直接流過100Ω的終端電阻,從而在接收器輸入端產(chǎn)生的信號(hào)幅度大約350mV 。通過驅(qū)動(dòng)器的開關(guān),改變直接流過電阻的電流的有無,從而產(chǎn)生“1”和“0”的邏輯狀態(tài)。在有些最新生產(chǎn)的LVDS接收器中,100Ω左右的電阻直接集成在片內(nèi)輸入端上了,如MAXIM公司的MAX9121/9122等。

　　在LVDS系統(tǒng)中,采用差分方式傳送數(shù)據(jù),有著比單端傳輸方式更強(qiáng)的共模噪聲抑制能力。道理很簡單,因?yàn)橐粚Σ罘志€對上的電流方向是相反的,當(dāng)共模方式的噪聲耦合到線對上時(shí),在接收器輸入端產(chǎn)生的效果是相互抵消的,因而對信號(hào)的影響很小。這樣,就可以采用很低的電壓擺幅（見表1）來傳送信號(hào),從而可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低功耗。

　　表1是LVDS驅(qū)動(dòng)器的主要電特性參數(shù),

　　表2是接收器的主要電特性參數(shù)。

　　表3是LVDS與其他幾種接口的性能比較。同為差分傳輸接口,LVDS與RS-422、PECL相比,在傳輸速率、功耗、接收靈敏度和成本等方面都有優(yōu)越性;與傳統(tǒng)的TTL/CMOS接口相比,LVDS在高速、低抖動(dòng)及對共模特性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用有著無可比擬的優(yōu)勢。LVDS的低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_、低輻射和高速的性能,使得它在激光打印機(jī)、蜂窩移動(dòng)電話基站、網(wǎng)絡(luò)路由器、數(shù)字交叉連接和時(shí)鐘分配系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

LVDS接口電路的設(shè)計(jì)
　　為便于LVDS接口電路的設(shè)計(jì),有多家公司生產(chǎn)了專門的LVDS收發(fā)器芯片,如NI公司的DS90LV017A驅(qū)動(dòng)器和DS90LV018A接收器、TI公司的SN65LVDS31驅(qū)動(dòng)器和SN65LVDS32接收器、MAXIM公司的MAX9123驅(qū)動(dòng)器和MAX9122接收器等等。不同的芯片又具有不同的電平兼容性,NI公司的DS90LV031/032采用+5V電源供電,可直接與TTL/CMOS信號(hào)接口。而MAX9123/9122則采用+3.3V的工作電源,可直接與LVTTL/LVCMOS信號(hào)接口,并且MAX9122的數(shù)據(jù)輸入端直接集成了107Ω的終接電阻。

　　設(shè)計(jì)LVDS接口,應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
　　1. 根據(jù)系統(tǒng)的工作電源配置情況和需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)電平,合理選用驅(qū)動(dòng)器和接收器芯片,或者根據(jù)接口芯片的情況,對被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)首先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如果是TTL/CMOS電平,可直接采用DS90LV031進(jìn)行傳輸,在對端用DS90LV032進(jìn)行接收。而如果傳輸LVTTL/LVCMOS電平的數(shù)據(jù),就可以直接選用MAX9123/9122等低電壓接口芯片。

　　2. 注意阻抗匹配。既要根據(jù)接收器輸入端的情況確定是否需要外接100Ω終接電阻,同時(shí),要根據(jù)PCB的板材和參數(shù)合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器的線輸出阻抗,使其在90～107Ω范圍內(nèi)。PCB傳輸線要盡可能地短,因?yàn)檫^長的線路,不但傳輸衰耗加大,降低了傳輸速率,而且阻抗也容易失配,并可能影響到信號(hào)的完整性。

　　3. 根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸電纜長度的關(guān)系,確定合適的電纜長度以滿足系統(tǒng)的要求。一般地,采用LVDS方式傳輸數(shù)據(jù),假定負(fù)載電阻為100Ω,當(dāng)雙絞線長度為10m時(shí),傳輸速率可達(dá)400 Mbps;當(dāng)電纜長度增加為20m時(shí),速率降為100 Mbps;而當(dāng)電纜長度為100m時(shí),速率只能達(dá)到10 Mbps左右。

　　4. 多數(shù)LVDS接口芯片的使能端在片內(nèi)沒有接上拉或下拉電阻,如果沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入,它們會(huì)不確定地被直接與地或Vcc相連,有可能造成邏輯錯(cuò)誤。所以,除非有特別說明,接口芯片的使能輸入端不要懸空。

　　圖2是采用MAXIM公司的一片MAX9123驅(qū)動(dòng)器和一片MAX9122接收器設(shè)計(jì)的一個(gè)4通道LVDS點(diǎn)對點(diǎn)連接的單工接口。該接口工作電源為+3.3V,驅(qū)動(dòng)器輸入和接收器輸出數(shù)據(jù)為LVTTL/LVCMOS電平。

　　MAX9123/9122是四驅(qū)動(dòng)器/接收器芯片,采用表面封裝形式、直通型引出腳,而且MAX 9122數(shù)據(jù)輸入端內(nèi)部并接有107Ω的電阻,不需要在電纜上再外接終端電阻了,這有助于簡化PCB板設(shè)計(jì)和降低線間串?dāng)_。該接口采用實(shí)時(shí)傳輸（使能端接固定電平）,傳輸速率最高可達(dá)500 Mbps。