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LVDS技术PCB设计


LVDS技术及其在高速PCB设计中的应用

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,所需传送的数据量也越来越大,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。而LVDS以其大的信噪比、低电压、低功耗、低EMI以及有利于高速传输等方面的优点,得到越来越多板级以及系统级设计工程师的青睐。本文就将对LVDS技术的基本原理、特点及其在高速板级设计领域中的应用等方面进行介绍。

一、LVDS技术

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。在两条平行的差分信号线上,电流及电压振幅相反,噪声信号同时耦合到两条线上,接收端只关心两信号的差值,因此噪声被抑制掉。低电压摆幅使提高数据率和降低功耗成为可能,同时也意味着数据可更快地反转。由于LVDS驱动器是恒流源模式,功耗几乎不会随频率的增加而增大,其单路功耗非常低。LVDS信号差分线对之间产生的磁场彼此抵消,电场相互耦合。电场之间耦合很紧,因而不能泄漏出去,只有些许边缘场会向外泄漏。所以,LVDS作为差分传输系统,会比CMOS或TTL等信号产生更小的EMI。

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:IEEE P1596.3(1996年3月通过),主要面向SCI(Scaleable Coh e r e n tI n t e r f a c e),定义了LVDS的电特性,还定义了S C I协议中包交换时的编码;ANSI/TIA/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。ANSI/TIA/EIA-644-A-2001是其修订本,该标准只规定了LVDS信号电平,传输介质和应用都由用户来决定,这一点使得LVDS在种类繁多的各种应用中大有用武之地。

1.1 LVDS的基本工作原理

LVDS的基本工作原理如图1所示。其基本电路由驱动器、接收器以及终端匹配电阻组成。其中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。电流源产生的3.5mA的电流通过差分线中的一路到接收端。而接收端的接收器本身对于直流表现为高输入阻抗,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。同时电流经过差分线的另一路返回到驱动发送端。接收器是差分比较器,对该电压的极性进行测量,正电压对应于逻辑高而负电压对应于逻辑低。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,于是在接收端产生有效的“0”和“1”逻辑状态的变化。

图 1 LVDS 的工作原理示意图

1.2 LVDS的主要特点

LVDS的小摆幅和差分的本质使得它成为一种高速、低噪声和低功耗的技术。恒定而小的输出电流降低了电源/地线噪声,由于信号线对中的电流与电流环路是紧密耦合在一起的,发射的电磁场实现相互抵消,从而减少EMI。综上所述,LVDS有以下几个主要特点:

(1)低的输出电压摆幅,(350mV)一般,当信号摆幅减小时,噪声裕度也相应降低。然而,即使LVDS的信号摆幅小于BTL或者GTL,却可以实现更大的信号裕度。

(2)高的传输速率,单通道速率可大于400Mbps;芯片集可达6.38Gbps,恒流源模式、低摆幅输出的工作模式决定着LVDS具有高速驱动能力。

(3)低的功耗,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。

(4)较强的抗噪声能力,由于LVDS使用了紧密耦合的差分线对,噪声拾取后以共模形式存在,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。LVDS的信噪比比CMOS高出18倍。

(5)较低的电磁干扰性,由于差分信号的极性相反,它们对外辐射的电磁场相互抵消,耦合得越紧密,泄放到外界的电磁能量就越少,即降低了EMI。

1.3 LVDS的主要应用构形

(1)点到点:这是标准的LVDS器件的主要构形。在电缆的远端只需一个端接电阻,而驱动器则始终位于相对的另一端。如果采用这种构形而且需要进行双向通信,则需要单独实现一条路径(2对)。以连线的加倍为代价,可以实现同时传输以及共享总线的吞吐量的倍增。

(2)多分支:通信同样也是单向的,端接器只存在于一端,驱动器则在另一端。对于高速总线而言,完成多个接收器的连接时必须非常小心,要保证线上的信号品质。

(3)多点:终端端接发生在互连的两端,而驱动器可以位于总线上的任何一部分。一次只有一个驱动器激活(通常模式),因此传输是双向半双工式的。对于双端端接的应用而言,由于输出驱动电流增大,故必须采用中间带有驱动的多分支或者多点、BLVDS或者多点驱动器。

二、LVDS的PCB设计

由以上LVDS的工作原理及主要特点可以看出:LVDS信号不仅是差分信号,也是高速数字信号,因此在进行含有LVDS信号的PCB设计时,如何实现阻抗控制,以防止信号在传输线终端产生反射是非常重要的。否则,由差分阻抗的不匹配产生的反射不仅会减弱信号,还会增加共模噪声,从而产生电磁辐射。同时,减小电磁干扰以保证信号的完整性也是很重要的。

2.1 LVDS的阻抗计算

LVDS分为外层微带线差分模式和内层带状线差分模式两种。差分信号的阻抗不仅与单端信号线特性阻抗有关,还与组成差分对的两信号线间的耦合情况有密切关系。当不考虑耦合情况时,差分信号的阻抗大小是单端信号线特性阻抗的2倍。但实际情况下往往不得不考虑耦合,当信号线间距越来越小并且耦合开始起作用时,差分阻抗就会逐渐减小。

2.2 LVDS的PCB设计建议

通过以上的分析可知,LVDS布线与普通CMOS或TTL信号布线有所不同,只要我们考虑到以上的影响因素,设计出一块好的高速PCB板并不难。下面就给出高速PCB设计时LVDS布线的几点建议。

(1)保证阻抗匹配。由于LVDS通常用来传输高速数据信号,所以PCB走线要视为传输线,长度超过2cm时应就应该进行阻抗控制,同时需要进行阻抗匹配,通常为(100±10)Ω。要选用表面安装厚膜无引线贴片电阻(如0603或0805),尽可能靠近接收器放置。

(2)布成多层板。一般至少为4层,按LVDS信号层、地层、电源层、TTL/CMOS等其它信号层排列。确保电源和地平面适合高速PCB设计。使用实的地平面以形成传输线互连所需的受控阻抗,电源和地平面的小间隔会形成极好的高频旁路电容。

(3)尽量采用微带线,并保持差分信号线之间紧耦合。带状线虽然比微带线产生更小的EMI,但带状线比微带线传输延迟大(典型值1.5倍)。紧耦合原则就是差分对线间距小于或等于线宽,可以有效地抵消磁场,电场相互耦合,减小对外的电磁辐射。

(4)保证线平行等距。为使扭曲(Skew)最小,两根差分走线的长度应相等,否则电长度的不同会产生相位差。相位差会破坏差分信号的磁场抵消作用且产生EMI。总的原则是将差分线对长度误差限制在100 mils(1 mil等于千分之一英寸)内。同时建议尽量使用同层内的差分,而不要使用上下不同层的差分。

(5)走短线、直线。为保证信号的质量,LVDS差分对走线应尽可能地短而直,尽量减少过孔和其它会引起线路阻抗不连续的因素,避免差分对布线过长,出现太多的拐弯,拐弯处避免使用90°走线,应使用弧形走线或45°走线。

(6)LVDS信号要远离其它信号。如果LVDS信号与单端信号(如TTL信号)不能留有足够的距离,单端信号就会对差分线对造成干扰,靠近单端走线的那根线受到的影响更大些。由于两根走线受到的干扰不同,LVDS接收器就不能对这种干扰完全抑制,因而会减小接收器噪声裕量(noise margin)。最好分层布线,若必须使用同一层走线,距离应足够远,至少应大于3~5倍差分线间距。

(7)保持LVDS驱动器和接收器尽可能靠近连接器,保证PCB上走线长度最短。这有利于板上噪声不会耦合到差分线上,而且避免电路板及电缆线间的交叉EMI干扰。

(8)不同差分线对间的间距不可太小。对不同差分线对之间的间距要求不能太小,至少应大于3~5倍差分线间距。必要时应在不同差分对之间加地孔隔离以防止相互间的串扰。

(9)电源和地的走线应尽可能粗。保证PCB地的返回路径短而粗,使返回路径产生最小的环路。

(10)保持LVDS信号线的PCB地线层返回路径的连续。不要跨越分割,否则跨越分割部分的传输线会因为缺少参考平面或参考平面的不连续而导致阻抗的不连续。

以上只是一些设计的要点,其实还有很多问题需要引起注意,比如匹配电阻的精度要求、电缆和连接器的选择等等,由于篇幅有限,这里不再讨论。

总结

本文就LVDS信号的基本工作原理、技术特点、阻抗计算以及PCB设计注意事项等方面进行了介绍。进行LVDS信号的PCB布线设计时,不但要考虑与其它信号相互之间的影响,更应该关心的是其自身阻抗的计算及控制。只有深刻理解了LVDS的原理和PCB布线知识,才能设计出电磁兼容性好的系统。

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