LVDS低电压差分信号简介

1. 名词解释

1.1. 背景

随着数据传输速率越来越高，现在计算机系统中的数据传输接口基本上都串行化了，像USB、PCIe、SATA、DP等等外部总线将并行总线挤压到只剩下内存总线这个最后的堡垒。当然，就算是并行传输总线最后的倔强DDR也在不断吸收SERDES上的技术来提升自己，尤其是均衡器(Equalization，EQ)技术，在DDR5标准中，DRAM将被指定涵盖DFE(判决反馈均衡)能力。

随着信号速率的提高，在系统同步接口方式中,有几个因素限制了有效数据窗口宽度的继续增加。

• 时钟到达两个芯片的传播延时不相等(clock skew)

• 并行数据各个bit 的传播延时不相等(data skew)

• 时钟的传播延时和数据的传播延时不一致(skew between data and clock)

要提高接口的传输带宽有两种方式，一种是提高时钟频率，一种是加大数据位宽。那么是不是可以无限制的增加数据的位宽呢？这就要牵涉到另外一个非常重要的问题–同步开关噪声(SSN)，数据位宽的增加，SSN成为提高传输带宽的主要瓶颈。

由于信道的非理想特性，信号从Tx通过FR4 PCB板传输到Rx，这中间会有信号插损、回损、近/远端串扰，再继续提高频率，信号会严重失真，这就需要采用均衡和数据时钟相位检测等技术，这也就是SerDes所采用的技术。

1.2. 历史

LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号)是美国国家半导体(National Semiconductor, NS，现TI)于1994年提出的一种信号传输的电平标准，它采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等优点，已经被广泛应用于串行高速数据通讯场合，如高速背板、电缆和板到板数据传输与时钟分配，以及单个PCB内的通信链路。

2. 技术标准

低电压差分信号(LVDS)是一种高速点到点应用通信标准。多点LVDS (M-LVDS)则是一种面向多点应用的类似标准。LVDS和M-LVDS均使用差分信号，通过这种双线式通信方法，接收器将根据两个互补电信号之间的电压差检测数据。这样能够极大地改善噪声抗扰度，并将噪声辐射降至最低。相对于LVDS，M-LVDS指定了更高的差分输出电压，以便允许来自多点总线的更高负载。

两种协议都是面向高速通信设计的。典型应用环境下会采用PCB走线或较短的有线/背板链路。LVDS的共模范围就是针对这些应用而设计。相对于LVDS，M-LVDS扩展了其共模范围，允许多点拓扑结构中具有额外噪声。

LVDS是一种用于替代发射极耦合逻辑(ECL)或正发射极耦合逻辑(PECL)的低功耗逻辑 。LVDS的主要标准有两个：即TIA(电讯工业联盟)/EIA(电子工业联盟)的ANSI/TIA/EIA-644标准(LVDS接口也因此称为RS-644接口)与IEEE 1596.3—SCI(可扩展一致性接口)。LVDS广泛用于高速背板、电缆和板到板数据传输与时钟分配，以及单个PCB内的通信链路。

LVDS/M-LVDS应用考虑

• 总线类型和拓扑结构

• 时钟分配应用

• LVDS/M-LVDS信号的特性

• 端接和PCB布局

• 抖动和偏斜

• 数据编码和同步

• 隔离

3. 技术原理

通常一个简单的点到点(point to point )LVDS的电路结构如下图所示：

LVDS点对点通讯

其基本优势是结构简单，功耗低，速度快，抗干扰能力强，能够传输5-10m。但是这一切又都是如何实现的呢？接下来就简要介绍一下技术上的细节。

3.1. 硬件构造

LVDS电平标准采用一对(两根)差分信号线传输数据。通过驱动3.5mA的稳定电流源，可在100Ω终端电阻时，以350mV这样非常低振幅的差动信号来高速传送数据。其数据传输速度在规格内限定最大为655Mbit/s。但这并不是极限值。通过各半导体厂商独有的加工，可以完成3Gbit/s左右的高速传输速度。

LVDS硬件构造

LVDS 信号传输一般由三部分组成： 差分信号发送器，差分信号互联器，差分信号接收器。

• 差分信号发送器：将非平衡传输的TTL 信号转换成平衡传输的LVDS 信号

• 差分信号接收器：将平衡传输的LVDS 信号转换成非平衡传输的TTL 信号

• 差分信号互联器：包括联接线(电缆或者PCB 走线)，终端匹配电阻。按照IEEE 规定 ，电阻为100 欧，我们通常选择为100 ，120 欧。

LVDS的差动信号波形的具体示例请见下图：

LVDS的差动信号波形

将两根差动信号--正电极信号(A+)和负电极信号(B−)，以1.2V的共同电压(Voc)为中心，使2个信号间以350mV的电位差摆动。然后，用探针测定示波器的差动，会得到图2这样的信号波形。这就是两个信号的振幅差((A+)−(B−))。以差动探针测定，就能得到振幅差的计算结果。但是这样的信号波形并不是物理存在的。

3.2. LVDS收发器

概述： 电流驱动——电压接收——共模电压由0-2.4V直流偏置，典型为1.2V——差模电压：350mV由驱动电流提供

LVDS的发送器与接收器的基本结构如下图所示。它使用两根线(即差分信号线)来传输一个信号，并且使用恒流源(Current Source)驱动，即电流驱动型(而TTL、CMOS之类电平标准为电压驱动型)。

LVDS收发器基本结构

其中，驱动器(Driver)中的场效应管(不一定是场效应管，因为LVDS技术规范主要侧重于LVDS接口的电气、互连与线路端接，对于生产工艺、传输介质及供电电压无明确要求，也就是说，可以采用CMOS、GaAs或其它工艺实现，能抓到老鼠的黑猫白猫都是好猫)组成一个全桥开关电路，用来控制3.5mA恒流源的电流流动方向，接收器(Receiver)的同相与反相端之间并联了一个100欧姆的端接电阻，LVDS接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过100Ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350mV 的电压，再经过接收器判断就形成了高低电平。电流源为恒流特性，终端电阻在100 ~120 欧姆之间，则电压摆动幅度为：3.5mA * 100 = 350mV ；3.5mA * 120 = 420m V。

当Q2、Q3导通而Q1、Q4截止时，恒流源电流经Q3流向接收器，并向下穿过100欧姆端接电阻再返回至驱动端，最后经Q2到地(GND)，3.5mA的电流在100欧姆电阻上产生350mV的压降，此时同相端电压高于反相端电压，输出为高电平“H”，如下图所示：

而当Q2、Q3截止而Q1、Q4导通时，恒流源电流经Q1向右流向接收器，并向上穿过100欧姆端接电阻再返回至驱动端，最后经Q4到地(GND)，3.5mA的电流在100欧姆电阻上也产生350mV的压降，但此时同相端电压低于反相端电压，输出为高电平“L”，如下图所示：

通常我们将LVDS接收器与发送器简化成类似下图所示：

如下图所示(来自TI公司LVDS收发芯片SN65LVDS180数据手册)

从LVDS结构原理可以看出，一对差分信号线只能够进行一个方向的数据传输，即单工通信(也称为点对点传输point-to-point)，但是我们常见的USB接口也只是使用一对差分信号线，为什么却可以双向传输呢？原因很简单，它是使用两对驱动器与接收器组合而成的，如下图所示：

USB接口结构

这是一种**半双工(half duplex)**的配置结构，也就是说，在任意时刻差分信号线仍然只能是往一个方向传输数据，但可以分时进行双向数据传输，当驱动器1向接收器1发送数据时，驱动器2与接收器2相当于无效的，反之亦然。当然，USB总线的实际结构要复杂得多，如下图所示(来自USB2.0规范，扯远了)

USB2.0

3.3. LVDS电气参数

我们来看看如下图所示的LVDS驱动器电气参数(来自TI公司LVDS收发芯片SN65LVDS180数据手册)

SN65LVDS180

上表中的VOD(Differential output voltage magnitude)即驱动器的差分输出电压幅度，也就是前述在端接电阻上产生的350mV压降，我们可以用下图所示(注意：是差模信号)：

VOD差分输出电压幅度

表中还有一个VOC(SS)(Steady-state common-mode output voltage)即稳态共模输出电压是个什么东西呢？我也不是很明白！咱们按图索骥找到数据手册中的Figure 3，如下图所示：

VOC稳态共模输出电压

哦，原来是当驱动器输入数字信号(未转换成LVDS信号前)时，转换出来的LVDS信号电压对公共地的平均值，也称为VOS(Offset Voltage，)，TI公司的其它数据手册有使用VOS如下图所示：(来自TI公司的LVDS收发芯片型号SN65LVDS049数据手册)

我们之前讲过，当使用LVDS电平标准传输高低电平时，接收端收到了+350mV或-350mV的压降只是差模信号，实际上还有一定的共模信号，它不影响接收器进行数据的判断。

当驱动器向接收器发送高电平“H”时，其等效图如下所示(注意：这个等效图仅适合传输线非常短的条件下)：

当驱动器向接收器发送低电平“L”时，其等效图如下图所示

综合以上两种等效电路，我们有如下图所示的电平波形图：

换言之，当LVDS进行高低电平切换时，电流源的电流在换向的瞬间，端接电阻流过的电流为零，因此端接电阻两端的电压就是VOS(电阻两端电压相同，因此没有压降，也没有电流)，如下图所示：

当然，这个电流换向转换瞬间非常短，通常只有几百皮秒，如下图所示：

接收器的输入电气参数如下图所示：

因此我们也可以用下图表示LVDS电平标准的噪声容限:

从图中可以看到，LVDS电平标准的噪声容限约为1.075V(一般认为其噪声容限为 1V)这里我们只是根据TI数据手册画出电平标准图，没有做任何修改，不同厂家的信息可能略有不同。

3.4. 技术优势分析

3.4.1. 单端信号和差分信号之间的差异

单端信号： 通常大多数低速数字逻辑电平(如TTL、CMOS)是用一根走线来传输信号，信号由相对于地参考平面(0V GND)的电平来确定逻辑“ L”和逻辑“ H”

随着速率的提高，单端信号的上升/下级沿也变得陡峭，因此，输出开关噪声会导致信号产生过冲和下冲，并且当多位信号同时转换时，还要考虑地弹(ground bounce)问题，同时单端信号以参考地平面作为信号回流路径，这也为Layout带来了挑战，由传输线阻抗不匹配引起的反射效应会变得非常严重。

差分信号： 有别于单端信号一根信号线传输信号，GND作为高(H)、低(L)逻辑电平的参考并作为镜像流量路径的做法，差分传输在两根传输线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相差180度，极性相反，互为耦合。

3.4.2. 差分信号的优点

1. 因为你在控制「基准」电压，所以能够很容易地识别小信号。在一个参考地(0 V)基准的单端信号传输系统里，测量信号的精确值依赖系统内(0 V)的一致性。信号源和信号接收器距离越远，它们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。而差分信号恢复的信号值在很大程度上与参考地(0 V)的精确值无关，在某一范围内便可。

2. 它对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的：一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的EMI还要少。

3. 在一个单电源系统，能够从容精确地处理「双极信号」。为了处理单端，单电源系统的双极信号，我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高真度，而无须依赖虚地的稳定性。

3.4.3. 低压的优势

随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求，低压供电成为急需。降低供电电压不仅减少了高密度集成电路的功率消耗，而且减少了芯片内部的散热，有助于提高集成度。减少供电电压和逻辑电压摆幅的一个极好例子是低压差分信号(Low Voltage Differential Signaling LVDS)，同时也降低了系统功耗。

3.5. 小结

LVDS的优势包括：

• 通信速度高达1Gbps或以上

• 电磁辐射EMI更低

• 抗扰度EMC更高

• 低功耗工作

• 共模范围允许高达±1V的接地失调差额

4. 技术扩展

4.1. LVDS的传输距离传输距离

LVDS传输距离均受两个主要因素的影响：传输介质和数据速率。关于给定传输距离，是否切合实际的标准决定于接收节点观察到多大的抖动，这与应用环境有关。有些应用环境需要5%或更低的抖动，有些则容许高达20%的抖动。

PCB走线通常允许大约几十厘米的传输距离；双绞线电缆用于LVDS时允许大约几米的传输距离；不同规格的PCB构造或电缆类型会对信号造成不同影响，进而影响最大传输距离。更高的数据速率会极大地限制传输距离； 1 Gbps下的LVDS或许只能通过1米的优质电缆进行传输(可能还需要额外的信号调理)，但是在100 Mbps条件下传输距离可能达到10米 (具体取决于电缆类型)。下图提供了部分应用环境下典型的LVDS和M-LVDS数据速率及电缆长度组合指示。

部分典型LVDS和M-LVDS应用中的电缆长度(双绞线)与数据速率

4.2. 端接和PCB布局

无论是使用电缆还是PCB走线，都应该结合传输线路理论对高速通信链路进行考虑。LVDS高数据速率需要快速上升时间，这意味着，随着信号从驱动器一直传播到总线端部，阻抗不连续和通信链路的端部会显著影响传输信号。为避免信号降级，需要沿着通信介质控制阻抗，并保证合适的端接。

端接电阻应该与通信介质的阻抗匹配；对于LVDS，这通常为100 Ω。对于简单的点到点链路，只需要端接距离驱动器最远的总线端部，如图14所示。对于多分支总线，如果驱动器在总线的一端，则可采用相同的端接方法，否则需要端接总线的两端。

4.3. M-LVDS

面向多点低电压差分信号(M-LVDS)的标准TIA/EIA-899将LVDS延伸到用于解决多点应用中的问题。相对于TIA/EIA-485 (RS-485)或控制器局域网(CAN)，M-LVDS能够以更低的功耗实现更高速度的通信链路。M-LVDS往往允许几十米的传输距离，M-LVDS相对于LVDS的额外特性包括：

• 驱动器输出强度更高

• 跃迁时间可控

• 共模范围更广

• 面向总线空闲条件提供故障安全接收器选项

4.4. 其他差分技术

下图列举了几种常用通信协议的速率和通信距离对比：

速率和通信距离

5. Q&A

5.1. 终端电阻100Ω是怎么来的

这个值是根据spec计算出来的，lvds的驱动是3.5mA恒流源，接收端电平判别的典型值是350mv，算出得到终端电阻是100Ω。接收端判别电平的范围可以根据具体器件的数据手册来查看。如果想增大抗干扰能力，其实可以适当提高这个电阻的阻值，比较常用值是120Ω。