淺談LVDS 信號電連接設(shè)計

張軍

摘要：LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）是一種低壓差分信號傳輸技術(shù)。實踐證明在設(shè)計時遵循一定的設(shè)計規(guī)范可以降低產(chǎn)品后期調(diào)試風(fēng)險和縮短產(chǎn)品交付使用周期。根據(jù)實際工程經(jīng)驗提出機箱、連接器和接口電路設(shè)計規(guī)范，經(jīng)過實際工程應(yīng)用驗證，遵循這些規(guī)范基本可以避免LVDS信號設(shè)計“陷阱”。

關(guān)鍵詞：LVDS；規(guī)范；電連接；連接器；接口電路

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）35-0145-02

1 概述

1.1 LVDS工作原理

圖 1為LVDS的工作原理示意圖，其驅(qū)動器由一個恒流源（通常為3.5mA）驅(qū)動一對差分信號線組成。在接收端有一個高的直流輸入阻抗（幾乎不會消耗電流），所以幾乎全部的驅(qū)動電流將流經(jīng)100Ω的終端電阻在接收器輸入端產(chǎn)生約350mV的電壓。當(dāng)驅(qū)動狀態(tài)反轉(zhuǎn)時，流經(jīng)電阻的電流方向改變，于是在接收端產(chǎn)生一個有效的"0"或"1"邏輯狀態(tài)。

1.2 LVDS特點

LVDS技術(shù)特點包括：1）高速傳輸能力，LVDS的傳輸能力最高可達2Gbps；3）低電壓、低功耗，LVDS采用用CMOS工藝實現(xiàn)提供了低的靜態(tài)功耗；3）低噪聲輻射；4）采用差分傳輸模式有較強的抗干擾能力。

1.3 LVDS標(biāo)準(zhǔn)

LVDS標(biāo)準(zhǔn)最早起源于1995年電信工業(yè)協(xié)會的技術(shù)報告，2001年電信工業(yè)協(xié)會對其晚上并重新出版成為LVDS的標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/TIA/EIA-644-A）。如表1所示，LVDS標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了發(fā)送端和接收端的電氣特性，對功能、協(xié)議、電纜特性等不做要求，因為具有良好的擴展性。

2 LVDS設(shè)計規(guī)范

LVDS信號數(shù)據(jù)傳輸率覆蓋100Mbps～2Gbps。電連接設(shè)計（例如PCB、連接器）需要當(dāng)作傳輸線來對待而不能再簡單當(dāng)作信號互聯(lián)的媒介，需要從系統(tǒng)角度考慮阻抗匹配、信號短接等問題。

2.1 電路設(shè)計規(guī)范

2.1.1 EMI設(shè)計

LVDS信號濾波設(shè)計主要為針對如時鐘信號、總線信號做濾波設(shè)計，時鐘信號在發(fā)送端增加RC濾波設(shè)計，減小干擾通過時鐘對外的輻射發(fā)射干擾；針對差分信號，其濾波設(shè)計需在端口增加共模電感進行濾波。

LVDS信號抗干擾設(shè)計分為固定路徑干擾和空間自由干擾，針對固定路徑的干擾，我們可以在干擾路徑上進行防護設(shè)計，針對空間自由干擾，我們可以在敏感源上進行防護設(shè)計：（1）固定路徑干擾的項目如傳導(dǎo)抗擾度測試，其干擾路徑一般為電源或者信號線，故LVDS電路設(shè)計只需要在接口增加防護設(shè)計，接口增加磁珠吸收后對地增加電容，使干擾以最快的路徑泄放掉；（2）空間自由干擾項目如輻射抗擾度，靜電干擾產(chǎn)生的電場干擾，此類干擾的路徑為空間傳播，在LVDS電路上可以針對敏感設(shè)備增加一些防護措施，常用措施為增加磁珠、電容等。

為減少LVDS信號和別的信號之間的串?dāng)_，應(yīng)遵循：1）在同一PCB 層上，單端信號距離LVDS信號至少12 mm；2）差分線之間的距離不應(yīng)超過信號線寬度的兩倍；3） 電路板的厚度應(yīng)大于信號線之間的距離；4）兩個相鄰差分對之間的距離應(yīng)大于或者等于2倍獨立信號線之間距離。

2.1.2阻抗匹配

為LVDS信號設(shè)計阻抗匹配時，應(yīng)遵循：1）將匹配跨接電阻放在靠近差分信號接收端，推薦跨接一個100?電阻，電阻精度為1%或2%；2）推薦使用表面貼薄膜0805封裝的芯片電阻；4）為避免阻抗的不連續(xù)性，PCB布線禁止使用90°直角轉(zhuǎn)彎，建議采用45°弧線走線；5）盡量減少PCB布線的過孔數(shù)量，且保持差分隊過孔數(shù)量相同。

2.1.3布局和供電規(guī)范

LVDS信號布局和供電應(yīng)遵循：1）PCB至少為4層板，LVDS信號和TTL/CMOS信號需用電源層或地層進行隔離； 2）LVDS的驅(qū)動器和接收器盡可能靠近連接器放置；3）靠近驅(qū)動器或接收器Vcc管腳處放置一個4.7μF或10μF電容，且要考慮信號的工作頻率和電容最佳工作頻率的匹配性；4）靠近每一個驅(qū)動器或接收器Vcc管腳處放置至少一個0.1μF和一個0.001μF電容；5）電源和地線盡量的寬以降低電源回流阻抗。

2.2 連接器選型和信號排布

連接器選型時主要考慮連接器的電氣性能，其中包括接觸電阻、抗電強度、絕緣電阻、電磁干擾泄露衰減、特征阻抗、串?dāng)_、傳輸延遲和時滯。LVDS器件選型時主要考慮特征阻抗、串?dāng)_和時滯。

2.2.1 機箱連接器選型規(guī)范

機箱連接器選型應(yīng)遵循：1）選用差分連接器，例如YMG差分連接器和J599系列連接器；2）接觸件阻抗匹配，例如CF81/2系列的阻抗為100Ω，CF83/84 Ω，CF85/86系列的阻抗為110Ω；3）連接器的傳輸速率要超過應(yīng)用的1/3，例如J599系列的連接器傳輸速率可以達1.65Gbps，則傳輸速率要控制在1.2Gbps以下。

2.2.2 機箱內(nèi)電連接規(guī)范

機箱內(nèi)電連接應(yīng)遵循：1）盡量使用柔性印制板走線；2）必須符合LVDS 的“匹配阻抗”要求；3）走線必須等長； 4）低速LVDS信號可以使用雙絞線，高速LVDS信號必須使用同軸或雙軸線。

2.2.3 母板連接器選型使用規(guī)范

母板連接器選型使用應(yīng)遵循：1）連接器阻抗匹配應(yīng)受控，差分阻抗?jié)M足100±10?的要求；2）在連接器上，同一差分對的兩信號線線應(yīng)彼此靠近放置；2）連接器信號定義時，差分信號間應(yīng)定義地信號；3）建議選用AMP公司的Z-PACK HS3系列連接器。

2.3 接口電路使用及選型規(guī)范

LVDS接口電路及選型應(yīng)遵循：1）在電源和地平面之間放置兩個Z5U陶瓷、云母或者聚苯乙烯填充的貼片電容（0.1和0.01μF）；2）未使用的輸入管腳應(yīng)該相應(yīng)的接VCC和GND；3）電路選型一個重要且實用的原則就是收發(fā)選用同一公司（如TI）的芯片，這樣可以避免由于各個生產(chǎn)廠家實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的不同帶來的問題。

3 結(jié)束語

LVDS信號傳輸技術(shù)滿足了當(dāng)今高帶寬、低功耗的傳輸要求。但由于高速、低電壓特點，其設(shè)計不規(guī)范時易帶來信號完整性問題。實踐證明，遵循一定的設(shè)計規(guī)范可以規(guī)避LVDS設(shè)計問題。