采用LVDS实现成功通信的秘诀 技术分类： 通信与网络 作者：JIM DIETZ与RICHARD HUBBARD，德州仪器 发表时间：2007-01-31 低电压差分信令 (LVDS) 器件目前拥有多种版本可供选择。通常在同一系统中会共存不同版本的器件，这就造成了互操作性问题。在实际可用的版本中，设计人员可选择 LVDS、基于总线的 LVDS 以及 M-LVDS（多点 LVDS）等不同器件版本。但这些器件是否可以在同一系统中协同工作呢？当设计人员在一个系统中混合采用不同技术时，应当解决哪些问题呢？结合采用相似却又不同的器件时，会有哪些限制呢？ 每种 LVDS 技术都有其自己的优缺点。如果我们比较单端信号与 LVDS 技术，那么 LVDS 技术的共同优势是低功耗、高速度以及较低的电磁干扰 (EMI) 等。其技术上的局限性则包括所支持的拓扑、允许的节点数、驱动能力以及符合的相关标准等。标准化将会尽可能减少集成问题。例如，TIA/EIA-644A 标准规范了点对点与多点应用情况下 LVDS 器件的性能。针对 M-LVDS 的 TIA/EIA-899 标准则规范了对多点器件的需求。当从头开始开发一套系统时，最好选择采用相同技术的系统。不过，经常有这种情况，系统中通常包含来自不同供应商的模组，并且分别采用不同的 LVDS 物理层。本文内容将帮助设计人员识别集成 LVDS I/O 类型时容易犯的潜在错误并逐一提出了解决方案。通过检查 M-LVDS 器件，我们能够明确该技术支持的 I/O 级范围。 表 1 中列出了大多数常见 LVDS 器件类型的主要参数。TIA/EIA-644A 标准及其上一版本 TIA/EIA-644 定义了对于点对点（单个驱动器、单个接收机）与多点（单个驱动器、多个接收机）器件的要求。设计人员可利用 TIA/EIA-644A 总线连接多达 32 个接收机。驱动电流为 3.5 mA，这对单端接应用而言是足够的，但对双端接设计而言则不够。基于总线的 LVDS 可加强电流驱动的能力，同时保持了 TIA/EIA-644A 标准的大部分特性。有关技术采用的接收机共模范围与接收机阈值与 TIA/EIA-644A 相同，均为TIA/EIA-644A 的驱动器增强型版本。M-LVDS 为真正的多点特性提供了全面的补充，其 11 mA 电流驱动能力可支持双端接或重负载背板。接收机的阈值仅为其它技术的一半，从而提高了敏感度。与驱动器相关的接收机地电势偏移则比其它技术高了一倍。M- LVDS 提供的符合业界标准的超集，包括了其它基于总线的 LVDS 技术特性。发送器与接收机参数在表 1 的驱动器参数部分，测试负载是测试电路用来测量并报告参数表参数的阻抗。输出差动电压VOD与 上述测试负载相关联。驱动器输出电流是得到的负载电流，器件提供该电流，以得到输出差动电压的显示值。设计人员可用通用测试阻抗标准化驱动器强度，从而更 有目的地比较不同技术的特点。标准化的输出差动电压值假定每个发送器均为可驱动 100 负载的理想电流源。表格中的各种技术在各种负载范围内都难以作为理想的电流源，不过这种假定仍基本适用于各种技术，有助于我们进行更清晰的比较。 表 1 还表明，除 M-LVDS 之外，所有信令类的接收机阈值均为 100 mV。M-LVDS 接收机比其它技术的敏感度高一倍，其噪声容限要高于其它 LVDS 接收机。低压信令技术通常用于短距离数据传输。M-LVDS 标准发布前，1V 的接地电位差一直是要求的性能参数。M-LVDS 将驱动器与接收机间的允许接地漂移值翻了一番，以确保为多点应用的处理提供足够大的接收机动态范围，以便完成应用中常见的驱动器启用与禁用等操作。制造商 在接收机中集成了多种自动防护功能，因此设计人员必须注意每种器件的自动防护机制。M-LVDS标准明确规定了自动防护机制。M- LVDS为支持真正的多点操作提供了许多额外的特性。M-LVDS器件一般用于多插槽背板，这种系统的阻抗不匹配情况很多，这是由背板连接器与线路卡的传 输通路短线造成的。为了尽可能减小短线造成的反射，M-LVDS规范了受控上升时间，将允许的最小过渡时间设为1ns。这种边缘速率限制了最大信号传输速 率，不过这对应用没有什么实际影响，因为多点信号传输速率通常仅被限制在200Mbps 400Mbps的范围内。M-LVDS 总线驱动器驱动的电压不超过 2.4V，即使在驱动器发生争用时也如此。这种电压限制加上接收机能在广泛范围内工作的规范一起可确保同质 M-LVDS 系统能够正常工作，而且接收机能确定正确的总线状态。 LVDS与基于总线的 LVDS 都要求接收机的工作电压范围介于 0V 2.4V之间。这一要求确保电压接地电位差 为 1V。M-LVDS 要求的工作电压范围为-1V +3.4V，从而确保了地电位的较大偏移。由于提高了共模范围，因此确保M-LVDS接收机能接受LVDS、基于总线的LVDS以及M-LVDS信号，从而使M-LVDS成为设计混合用途系统时灵活的接收机技术。 自动防护运行是 M-LVDS 的又一特性，是指接收机在出现某种故障时或驱动器处于非工作状态时能够做出响应。在提出 TIA/EIA-899 标准之前，LVDS 技术可通过许多方式来实现自动防护运行。一些技术依靠外部电路提供已知输出，其它技术则采用集成方法，强制输出为某一状态。上述方法有时不能互换，因此设 计人员必须注意产品说明书对自动防护运行的规范所做的描述。基于总线的 LVDS 技术属于增强型驱动器规范，与 LVDS 处理自动防护运行的方式相同。换言之，自动防护运行不存在任何标准。由于不同器件的自动防护运行参数会互有差异，因此必须认真阅读产品说明书。 TIA/EIA-899标准定义了自动防护运行的有关要求，这些要求在驱动器的整个共模范围上发挥作用。有关标准指定了50mV阈值的Type1接收机 与 100mV偏移阈值的 Type2接收机，可检测开路与闲置总线情况。Type1接收机类似于LVDS接收机，但阈值范围敏感性更高。Type2接收机要求偏移阈值，因此能实现 标准化的自动防护运行。Type2接收机能“发现”低于50 mV的信号以及高于150mV的信号（图1）。 驱动器争用 当一个以上的驱动器同时在总线上处于工作状态时，会发生什么情况？不同的 技术如何处理驱动器争用问题？设计人员希望至少这样不会发生器件损坏，总线电压能保持在一定范围内。驱动器争用在点对点或多点系统中不会出现，因此 TIA/EIA-644A 或基于总线的非标准 LVDS 技术都不涵盖相关内容。不过，M-LVDS 作为一种全面的多点标准可解决驱动器争用问题。M-LVDS 驱动器会监控总线电压，并控制输出电流，以将总线电压限制在2.4V。TIA/EIA-899还要求禁用的器件与接收机不得影响总线，使总线电压不超过 2.4V 的限制。考虑到上述的规范要求，同质的M-LVDS技术系统不会出现电压超过2.4V的情况。驱动器的输出电压、接收机的 阈值电压以及接收机的共模电压对解决不同类型 LVDS 器件间的互操作性问题非常重要。我们从表 1 看到，标准化负载电压技术的变化可达三倍。这种差异说明，在点对点与多点系统中采用不同类型的技术，会使问题变得非常复杂。接收机能否处理这些升高的负载 电平，取决于接收机的共模电压范围以及最大差动输入电压。我们从表1中看到，M-LVDS接收机提供了最大的共模电压范围，在与其它驱动器接口相连时，还 能提供最大的容限。不过这并不是全部情况，噪声容限在互操作性决策方面非常重要。差动总线架构的噪声容限是最小驱动器差动输出电压减去最大接收机输入阈值所得的值。表1中假定的电流源生成表2中标准化的电压，表2是数据表负载标准化测试负载（100与40测试负载）下的最小差动输出电压。40测试负载值来自对多点背板系统的实际估算。有关标准针对符合标准的器件全面定义了噪声容限。TIA/EIA-644A 标准规定，在同质系统中，如噪声容限为 147 mV，则最小输出差动电压为 247 mV，最大阈值电压为 100 mV。其它基于总线的 LVDS 技术不符合有关标准，因此设计人员应认真研究每个基于总线的 LVDS 的参数表，以计算得出适当的噪声容限。M-LVDS 的噪声容限为480mV50mV或430mV。了解负载情况非常重要。表2显示了输出差动电压在负载变化时的差异情况。该表还针对系统采用混合技术时的 噪声容限提出了相关问题。M-LVDS 演示系统 图 2 显示了一款多点 M-LVDS 演示系统，给出了实际环境下 M-LVDS 的性能。在这款 21 卡的演示系统中，卡间距离为 0.8 英寸。背板线迹具有 130 的差动阻抗。连接器、器件以及柱脚 与卡间距接合紧密，使 130 的背板阻抗有效降低为 40 左右。多点背板演示系统采用 40 的阻抗，而点对点演示系统采用 100 的阻抗，并对两者进行了比较。表 3 就采用相同技术以及混合技术的系统给出了差动噪声容限的计算值，其中采用了 M-LVDS 标准化。尽管 LVDS 的噪声容限较低，但它仍能在 100 的环境下驱动所有采用其它技术的驱动器。在点到点系统中，设计人员通常为加快速度而选择 LVDS，如果噪声容限比速度更重要，那么就选择 M-LVDS。在同质系统中，M-LVDS在40或100架构情况下有最大的噪声容限。噪声容限通过线迹、连接器、线缆以及背板等为驱动信号提供 基础，对于点对点系统也如此。真正的多点系统产生的负载需要较高的噪声容限，因此我们有必要采用M-LVDS 等技术。LVDS主要针对100环境下的使用情况，因此不适用于超过TIA/EIA-644A标准的负载。采用混合技术时需要涉及的最后一个问题是接收机共模。在大多数情况下，对LVDS以 及基于非标准总线的技术来说，驱动器与接收机间可允许的地电势差异为1V。尽管这只是近似正确，而设计人员真正需要注意的是接收机在规范极限内能够承受 的允许差值。对 LVDS 来说，驱动器的共模输出范围为 1.125V 1.375V，典型值为 1.2V。LVDS 接收机接受的输入范围为 0V 2.4V，这就是说，接收机的接地偏移可能约为 1V。如果驱动器在共模范围的高端提供最大输出差动电压（如 1.375V 共模电压情况下，输出差动电压 450 mV），那么接地偏移可能会小一些。上述要求意味着，允许的接地偏移仅为 800 mV。一些厂商提供的 SN65LVDS33D 等接收机具有较大的输入范围，此处的范围介于-4V +5V 之间。针对 M-LVDS 的TIA/EIA-899规范要求的输入电压范围为-1 +3.4V。 LVDS 是一项非常适合点对点及多点系统的技术。LVDS 及 M-LVDS 接口均建立在标准基础之上，而其它基于总线的 LVDS 技术则 并非如此。与过去的单端总线技术相比，LVDS 技术不仅可以提高速度、降低功耗，而且还能改进 EMI 性能。同质系统是最佳的设计选项，但有时也会混合采用接口技术。在这种情况下，设计人员绝不能超过参数表规定的的限值，必须考虑噪声容限问题以及应用的共 模范围。M-LVDS 可提供全新的 LVDS 信号传输方法，与其它选项相比，其能提供更高的噪声容限，或根据设计的要求实现真正的多点解决方案。采用 M-LVDS 技术时，我们还能实现自动防护功能，解决驱动器争用问题，并符合有关标准。