Lvds

差分信号技术

LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）低电压差分信号，是一种低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的差分信号技术，这种传输技术可以达到155Mbps以上，LVDS技术的核心是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，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆。

技术简介

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一种低振幅差分信号技术。它使用幅度非常低的信号（约350mV）通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。它能以高达数千Mbps的速度传送串行数据。由于电压信号幅度较低，而且采用恒流源模式驱动，故只产生极低的噪声，消耗非常小的功率，甚至不论频率高低功耗都几乎不变。此外，由于LVDS以差分方式传送数据，所以不易受共模噪音影响。

LVDS最早是由美国国家半导体公司（National Semiconductor）提出的一种高速信号传输电平，此后，LVDS在下列两个标准中作了定义：IEEEP1996.3（1996年3月通过），主要面向SCI（Scalable Coherent Interface）.定义了LVDS的电特性，还定义了SCI协议中包交换时的编码；ANS/EIA/EIA-644（1995年11月通过），主要定义了LVDS的电特性，并建议了最大传输速率及理论极限速率等参数。通常提到的LVDS标准是指后者。2001年ANS/EIA/EIA-644标准已重新修订发表。

产生背景

随着电子设计技术的不断进步，高速率信号的互连及宽带信道的应用与日俱增，所需传送的数据量越来越大，速度越来越快。目前，存在的点对点物理层接口如RS-422、RS-485、SCSI以及其它数据传输标准，由于在速度、噪声、EMI/EMC、功耗、成本等方面所固有的限制，使其越来越难以胜任实际应用。同样随着军事电子技术的发展，在空间通信领域，如跟踪与数据中继卫星系统（TDSS）中，为了实现高速数据中继和测距、测速.必须首先解决传输速率高、占用带宽宽所带来的问题；在雷达应用领域，各种新体制雷达的出现以及在宽带侦收、电子对抗等不同领域的应用同样不可避免地面临高速数据的采集和传输问题；因此，采用新的I/O接口技术来解决数据传输这一瓶颈问题显得日益突出。LVDS以其固有的低电压、低功耗和有利于高速传输等特点，越来越成为宽带高速系统设计的首选接口标准。目前，LVDS技术在通信领域的应用更是日益普及，尤其是在基站、大型交换机以及其它高速数据传输系统中，LVDS正在发挥着不可替代的作用。

基本原理

LVDS的基本工作原理图示于图1。其源端驱动器由一个恒流源（通常约为3.5mA，最大不超过4mA）驱动一对差分信号线组成。接收端的接收器本身为高直流输入阻抗，所以几乎全部的驱动电流都流经100Ω的终端匹配电阻，并在接收器输入端产生约350mV的电压。当源端驱动状态反转变化时，流经匹配电阻的电流方向改变，于是在接收端产生高低逻辑状态的变化。

为适应共模电压的在宽范围内的变化，一般情况下，LVDS的接收器输入级还包括一个自动电平调整电路，该电路将共模电压调整为一固定值，其后面是一个Schmitt触发器，而且，为防止Scdhmitt触发器不稳定，设计有一定的回滞特性，Schmitt后级才是差分放大器。

技术特点

LVDS之所以成为目前高速I/O接口的首选信号形式来解决高速数据传输的限制，就是因为它在传输速度、功耗、抗噪声、EMI等方面具有优势。

①高速传输能力。在ANS/EIA/EIA-64定义中的LVDS标准，理论极限速率为1.923Gbps，恒流源模式、低摆幅输出的工作模式决定着IVDS具有高速驱动能力。

②低功耗特性。LVDS器件是用CMOS工艺实现的，而CMOS能够提供较低的静态功耗；当恒流源的驱动电流为3.5mA，负载（100Ω终端匹配）的功耗仅为1.225mW；LVDS的功耗是恒定的，不像CMOS收发器的动态功耗那样相对频率而上升。恒流源模式的驱动设计降低了系统功耗，并极大地降低了频率成分对功耗的影响。虽然当速率较低时，CMOS的功耗比LVDS小，但是随着频率的提高，CMOS的功耗将逐渐增加，最终需要消耗比LVDS更多的功率。通常，当频率等于200MSps时，LVDS和CMOS的功耗大致相同。

③供电电压低。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压力，有助于提高集成度。LVDS的驱动器和接收器不依赖于特定的供电电压特性，这决定了它在这方面占据上峰。

④较强的抗噪声能力。差分信号固有的优点就是噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现，并在接收器中相减，从而可消除噪声，所以LVDS具有较强的抗共模噪声能力。

⑤有效地抑制电磁干扰。由于差分信号的极性相反，它们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合得越紧密，泄放到外界的电磁能量就越少，即降低了EMI。

⑥时序定位精确。由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点。而不像普通单端信号依靠高低两个阀值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，有利于高速数字信号的有效传输。

⑦适应地平面电压变化范围大。LVDS接收器可以承受至少士1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化。由于IVDS驱动器典型的偏置电压为+1.2V，地的电压变化、驱动器的偏置电压以及轻度耦合到的噪声之和，在接收器的输入端，相对于驱动器的地是共模电压。当摆幅不超过400mV时，这个共模范围是+0.2V~+2.2V，进而，一般情况下，接收器的输入电压范围可在0V~+2.4V内变化。

正是因为LVDS具有上述的主要特点，才使得HyperTransport（by AMD），Irfiniband（ly Intel），PCI-Express（by Intel）等第三代I/O总线标准（3G IO）不约而同地将低压差分信号（IVDS）作为下一代高速信号电平标准。

技术应用

在雷达应用领域，随着技术的发展，新体制雷达如DBF体制雷达、相控阵雷达等的出现和普及，所需处理的信号带宽和信号通道数大幅度增加，面临着大数据量的传输问题。因此采用的新的技术解决I/O接口问题成为必然趋势，LVDS这种高速低功耗接口标准使解决这一传输瓶颈问题成为可能。所以，目前LVDS技术在高速雷达及高速接收系统中应用非常广泛；利用LVDS技术实现点对点的单板互联，系统结构可扩展性非常好，实现了线卡及各个分系统的高集成度，并且完全能满足数据的采集和传输的要求。

在民用方面，这种技术可支持高速数据传送，最适用于基站、交换器、加/减多路转换器等通信结构应用方案，机顶盒和家庭/企业视频链路等消费产品应用方案以及医疗用超声波影像设备与数字影印机等，确保系统分区操作可以发挥更大的灵活性。系统设计工程师可以利用LVDS技术将模拟及数字信号处理区段设于不同的电路板，然后利用电缆或底板传送A/D转换器输出的数字数据，以确保结构设计可以发挥更大的灵活性。目前，各类高速AD转换器基本上都选择使用LVDS信号作为采样数据的输出格式，其输出形式多为并行输出。同时，支持IWDS与其它电平互换的专用芯片和LVDS降速专用芯片也是层出不穷，主要以MAXM、NI以及TI等几家国外公司为代表。

另外，在测控系统的高速数传、SAR雷达侦察接收和高速数字图像传输应用中，LVDS都有非常广阔的应用空间。尤其是最近和未来数年，航空航天、军事、通信等部门对体制灵活的高码率通信系统的需求持续增长。一方面，传统通信系统的核心，滤波器、混频器等诸多环节由于多是采用模拟器件实现，在系统的可靠性、灵活性、升级维护等方面都受到了极大的制约，另一方面，近20年来、微电子技术、集成电路、数字通信理论等高速发展、为采用数字方式实现高码率通信系统的诸多环节提供了可能。根据目前所获得的资料，国外已经研制成功多款性能卓越，灵活多用的全数字高码率基带信号处理机。在这样大的背景之下，作为致力于发展我国的军事电子技术，尤其是专注于航天测控领域相关技术和产品的研究和开发的单位，目前，我们已在高码率数传技术的研究过程中取得重大突破，其中应用的关键技术之一就是LVDS技术。

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