一文讲透串行通信---LVDS基础

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一、LVDS介绍
LVDS 代表低压差分信号，由 TIA/EIA-644 标准定义。它仅属于物理层，这意味着它纯粹是电气层面的，没有用于传输数据的协议。我们只需观察其架构就能明白这一点。

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其最基本的形式由一个差分发送器和一个差分接收器组成。与单端信号不同，单端信号测量的是信号与地之间的差值，而 LVDS 测量的是信号的同相电平和反相电平之间的差值。

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在传输线的末端放置一个终端电阻来终结信号。这个终端电阻以及 LVDS 驱动器电流共同产生差分电压。这个电阻必须与传输线的特性阻抗相匹配。通常情况下，阻值为 100 Ω。

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这个电阻会在传输线中产生一个短截线，这可能会导致信号反射。所以电阻应尽可能靠近接收器放置，以缩短短截线的长度。信号的共模电压也以相对于地偏移 1.2 V为中心。
对于 2.5 V、3.3 V和 5 V供电的设备来说，1.2 V是典型的共模电压。然而，其他非官方标准，如亚 LVDS，由于采用 1.8 V电源供电，使用的是较小的 0.9 V偏移电压。

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交流耦合可用于隔离需要不同共模电压的驱动器和接收器。显示端口的物理层就是交流耦合的 LVDS。
源端是驱动器，接收端是接收器。标准 LVDS 和显示端口之间的一个关键区别在于，显示端口是双端终端匹配的，即在源端和接收端都有终端匹配电阻，而不只是在接收端。这只是显示端口标准的要求，在其他交流耦合的 LVDS 接口中通常不会看到这种情况。

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现在，让我们更深入地了解一下 LVDS 的内部工作原理。驱动器有一个 3.5 mA的推挽式电流源。差分对中的每条线路都承载着 3.5 mA的电流，且方向相反。
输出驱动器为直流信号设置共模电压，而接收器输入具有非常高的阻抗。所以实际上，所有电流都流过 100 Ω的终端电阻。这反过来又在接收器输入端产生了 350 mV的差分电压。

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符合标准的接收器规定能够承受驱动器接地端与接收器接地端之间至少正负 1 V的地电位偏移。由于典型的驱动器规定的共模电压为 1.2 V，这意味着接收器的共模电压范围为 0.2 V到 2.2 V。所以，如果驱动器和接收器位于不同的电路板上且使用不同的电源，即使存在地电位差异，接收器仍然能够接收来自驱动器的信号。
此外，接收器保证具有 100 mV或更低的接收阈值。典型的驱动器会产生 350 mV的差分电压，这使得因印刷电路板（PCB）走线或电缆引起的损耗几乎可以达到 6 dB。

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LVDS 的一个主要优点是抗噪性强。由于通道紧密耦合在一起，出现在一个通道上的噪声很可能也会出现在另一个通道上。而这种噪声会被抵消掉，因为接收器只对两个信号之间的差值做出响应。

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由于 LVDS 具有低电压特性，另一个优点就是功耗低。我们可以通过查看 LVDS 驱动器数据手册中的一些典型规格并进行简单计算来了解这一点。耗散功率为 1.225 mW，输入功率为 23.1 mW，功耗为 10.325 mW。将这些功率相加，设备的总功率仅为 33.425 mW。

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现在，最常被问到的问题之一就是 LVDS 能够传输多远以及传输速度有多快？通常情况下，在不进行信号调制的情况下，当传输距离为 10 到 15 米时，带宽略高于1Gbps。遗憾的是，这在很大程度上是一个取决于系统的参数，所以我们只能给出这些参数的典型规格。
确定实际最大速度和最大传输距离的最佳方法是在系统中通过仿真或使用原型系统来进行测量。例如，一个典型的设置将包括误码率测试仪（BERT）或函数发生器、评估模块（EVM）、不同长度的电缆以及一台示波器。

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通过原型设置，你可以在负载端进行眼图测量，以确定实现无差错传输所允许的最大抖动量。你还可以使用眼图的高度来确定是否达到了接收器 100 mV的阈值。

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二、多点 LVDS介绍
多点 LVDS 由 TIA/EIA-644-A 标准定义，该标准是对定义点对点 LVDS 的 TIA/EIA-644 标准的更新。此次更新允许一个驱动器连接多达 32 个接收器，并且只需要在最远的接收器处连接一个终端电阻。和普通的 LVDS 一样，它只是物理层的标准，这意味着它纯粹是关于电气方面的。

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其电气特性在很大程度上与普通的点对点 LVDS 相同。驱动器通常是一个 3.5 mA的电流源，当在接收器端用 100 Ω的电阻进行终端匹配时，它会产生一个以 1.2 V为中心、摆幅为 350 mV的信号。

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644 标准和 644-A 标准的关键区别在于增加了一项漏电流限制规范。644-A 标准要求接收器输入端的漏电流小于 20 uA，以确保接收器在整个共模范围内都具有高阻抗特性。

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这确保了接收器在整个共模范围内的阻抗至少为 120 KΩ。这一点很重要，因为由于多个接收器带来的负载增加，驱动器所看到的有效阻抗会降低。可以想象多个电阻并联的情况。

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请记住，我们希望接收器的阻抗尽可能高，这样几乎所有从驱动器流出的电流都会通过终端电阻，从而产生差分电压。你可以在 644-A 标准中描绘的测试电路中看到这一点。3.74 KΩ代表 32 个接收器节点（每个节点阻抗为 120 KΩ）连接到一个驱动器，而 V 测试代表接收器的共模电压范围。

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与普通 LVDS 相同的设计注意事项同样适用于多点 LVDS，同时还有一些额外的参数需要考虑。
最重要的考虑因素是支线长度。每当一个额外的接收器连接到驱动器时，就会产生支线。尽可能缩短支线长度非常重要，因为它们会造成阻抗不匹配，这对信号完整性有显著影响。

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根据经验，支线长度应保持在 4 cm以内。那么一个驱动器到底能真正支持多少个接收器呢？
嗯，该标准理论上支持的接收器最大数量是 32 个，但在实际应用中，这个数量可能会低得多。这在很大程度上取决于系统，特别是支线长度、信号频率以及走线或电缆长度。由支线以及连接的接收器数量所导致的信号完整性问题，在大多数情况下也将最大数据速率限制在了 250 Mbps。

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由于所有这些参数都是相互依赖的，所以很难对它们进行量化，因为它们都非常依赖于具体的系统。最好的办法是使用原型对系统进行测试，或者在应用环境中对系统进行仿真。

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