LVDS接口电路基本原理.doc

lvds接口电路基本原理1 lvds接口电路的基本结构12 lvds接口电路驱动器原理23 lvds接口电路差分传输线43.1 差分线的阻抗匹配43.2 差分线的端接53.3 差分信号的布线64 lvds接口电路接收器原理75 lvds信号的测试85.1 选择示波器的要求85.2探头的选择91 lvds接口电路的基本结构一个简单的lvds传输系统由一个驱动器和一个接收器通过一段差分阻抗为100的导体连接而成。如图1所示，驱动器的电流源（通常为3.5ma）来驱动差分线对，由于接收器的直流输入阻抗很高，驱动器电流大部分直接流过100的终端电阻,从而在接收器输入端产生的信号幅度大约350mv 。通过驱动器的开关，改变直接流过电阻的电流的有无，从而产生“1”和“0”的逻辑状态。在最新生产的lvds接收器中，100左右的电阻甚至被直接集成在片内输入端上，如maxim公司的max9121/9122等。图1 lvds接口电路基本结构2 lvds接口电路驱动器原理the telecommunications industry association（tia）颁布了一个标准，规定了用于转换二进制信号的lvds接口电路的电气规格。lvds技术利用低电压差分信号来产生高速、低功率的数据传输。差分信号的使用消除了共模噪声，因此确保了数据的传输速度以及抗噪性能。如果想了解lvds标准的详细信息，请查阅“electrical characteristics of low voltage differential signaling（lvds）interface circuits”，tia/eia-644（march 1996）。图2-1举例说明了一个通过一对差分连线115连接到一个lvds接收器110的lvds发生器100。lvds发生机100将一个数字的输入信号d_in转换成为一对在差分输出终端tx_a和tx_b上的相反的lvds输出信号。有一个100欧姆的终端负载电阻rl跨接在差分传输线tx_a和tx_b之间，并且让lvds发生器100的输出阻抗满足上面提到的lvds标准。lvds接收器110接收来自差分传输线tx_a和tx_b的差分输入信号，并且把它们转换成为一个数字输入信号d_out。lvds行业标准规定了lvds接收器110的电气特性。现在接收器直接应用于差分信号发生器，关于接收器110的广泛讨论不包括在现在的应用里。 图2-1 一个简单的lvds系统图2-2描述了如100所示的lvds发生器110的工作原理。lvds发生器100包括了一个与一个驱动电路205连接的前置放大器200。前置放大器200接收二进制数据信号d_in，并生成一对相反的数据信号d和d/(信号名称以“/”结尾表示低有效)。除非被另外指定，每一个信号都连接到如原理图所示的节点。因此，比如发生器100的输入终端和输入信号都指定为d_in。驱动电路205包括了一个pmos负载晶体管207和一个nmos负载晶体管209。每一个负载晶体管都由各自的偏置电压pbias和nbias产生一个相关稳定的驱动电流响应。驱动电路205又包含了4个驱动晶体管211、213、215、217。如果信号d_in是一个逻辑“1”（比如3.3v）,前置放大器200便在终端d上产生一个逻辑 “1”，在终端d/上产生一个逻辑“0”（比如0v）。终端d上的逻辑“1”使晶体管211和217导通，产生电流流下晶体管207和211的电位，上拉负载电阻rl，并且下拉晶体管217和209至地（如箭头219所示）。电流经过终端负载rl，在输出终端tx_a和tx_b之间产生一个负电压。相反的，如果信号d_in是一个逻辑“0”，前置放大器200便在终端d上产生一个逻辑“0”，在终端d/上产生一个逻辑“1”。终端d/上的逻辑“1”让晶体管213和215导通，产生电流流下晶体管207、215、终端负载rl、213，以及晶体管209后到地（如箭头221所示）。改电流通过终端负载rl，在输出终端tx_a和tx_b之间产生一个正电压。 图2-2 lvds驱动器原理图 图2-3是一个描述当信号通过图2-1和2-2所示负载rl时发生变化后各个负载的电压曲线。lvds发生器100在一对终端tx_a和tx_b上产生一对差分输出信号。lvds标准要求终端tx_a和tx_b之间的电压保持在250mv到450mv这个范围，并且要求两个差分电压的中间值保持在1.2v左右。终端tx_a到终端tx_b之间为负电压表示一个二进制的“1”，正电压表示一个二进制的“0”。图2-3 lvds输出电平曲线3 lvds接口电路差分传输线数字信号在差分线上传输时是奇模传输方式，即正负两路信号的相位相差180，而噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现，在接受器中正负两路的电压(或电流)相减，从而可以获得信号，消除共模噪声。而差分线对的低压幅或电流驱动输出实现了高速集成功耗的要求。3.1 差分线的阻抗匹配差分线是分布参数系统，因此在设计pcb时必须进行阻抗匹配，否则信号将会在阻抗不连续的地方发生反射，信号反射在数字波形上主要表现为上冲、下冲和振铃现象。式(1)是一个信号的上升沿(幅度为eg)从驱动端经过差分传输线到接收端的频率响应：其中信号源的电动势为eg，内阻抗为zg，负载阻抗为zl；hl()为传输线的系统函数。l和g分别是信号接收端和信号驱动端的反射系数，由以下两式表示： 由式(1)可以看出，传输线上的电压是由从信号源向负载传输的入射波和从负载向信号源传输的反射波的叠加。只要我们通过阻抗匹配使l和g等于0，就可以消除信号反射现统函数。在实际工程应用中，一般只要求l=0，这是因为只要接收端不发生信号反射，便不会有信号反射回源端，产生源端反射。由式(2)可知，如果l =0，则必须zl=z0，即传输线的特性阻抗等于终端负载的电阻值。传输线的特性阻抗可以由有关软件计算出来，它和差分线的线宽、线距及相邻介质的介电常数有关，一般把差分线的特性阻抗控制在100左右。值得注意的是，一个差分信号在多层pcb的不同层传输时(特别是内外层都走线时)，要及时调整线宽线距来补偿因为介质的介电常数变化带来的特性阻抗变化。终端负载电阻的控制要根据不同的逻辑电平接口，来选择适当的电阻网络和负载并联，以达到阻抗匹配的目的。3.2 差分线的端接差分线的端接要满足2方面的要求：逻辑电平的工艺要求和传输线阻抗匹配的要求。因此，不同的逻辑电平工艺要采用不同的端接。lvds电平信号的端接。lvds是一种低摆幅的差分信号技术，它上面的信号可以以几百mbps的速率传输。lvds信号的驱动器由1个驱动差分线的电流源组成，通常电流为3.5 ma。它的端接电阻一般只要跨接在正负两路信号的中间就可以了，如下图a所示lvds信号的接受器一般具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过了100的匹配电阻，并产生了350 mv的电压。有时为了增加抗噪声性能，差分线的正负两路信号之间用2个5o的电阻串联，并在电阻中间加1个滤波电容到地（如图b所示），这样可以减少高频噪声。随着微电子技术的发展，很多器件生产商已经可以把lvds电平信号的终端电阻做到器件内部，以减少pcb设计者的工作。图3-1 lvds传输线的端接3.3 差分信号的布线差分信号的布线是整个传输电路设计的难点。一般来说，按照阻抗设计规则进行差分信号布线，就可以确保lvds信号质量。在实际布线当中，lvds差分信号布线应遵循以下原则： 1 差分对应该尽可能地短、走直线、减少布线中的过孔数，差分对内的信号线间距必须保持一致，避免差分对布线太长，出现太多的拐弯。 2 差分对与差分对之间应该保证10倍以上的差分对间距，减少线间串扰。必要时，在差分对之间放置隔离用的接地过孔。 3 lvds差分信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。 4 尽量避免使用层间差分信号。在pcb板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，层间差分信号不能保证差分线之间间距等于介质厚度，因此会造成层间差分对的差分阻抗变化。因此建议尽量使用同层内的差分。 5 在设计阻抗时，尽量设计成紧耦合方式，即差分对线间距小于或等于线宽。 此外，在lvds传输电路设计当中应当选用适合差分信号的高速接插件，一方面，接插件的特征参数能够与lvds信号阻抗匹配，通过接插件的信号畸变很小；另一方面，能够提供足够的布线空间，设计pcb走线宽度和间距。例如amp公司的zpack hs3系列接插件，在电气性能方面，比较适合高速lvds信号互连。4 lvds接口电路接收器原理lvds接口电路的接收器一般用比较器来构成。电压比较器是一种常用的集成电路,它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于v/f变换电路、a/d变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。在如图4-1所示的比较器中，该比较器由两个差分放大器组成，每个差分放大器均座位另一个的负载。通过把m5和m6的栅连接到m1和m3的漏极来实现差分放大器的尾电流自适应。当输入正电压vin+增大时，m1和m3的漏极电压下降，并使m6导通，电流增大。该电流通过m4流向连接在m2和m4漏极的输出电容。在这种情况下，m5的电流为零。当vin+下降时，m5导通。并且大电流经过输出电容通过m2泄漏。 图4-1 lvds接收器基本机构5 lvds信号的测试lvds信号属于高速数字信号，可以采用眼图测试的方式来观察信号的质量；并且lvds信号的测试应该使用宽带数字采样示波器和宽带高阻抗探头。5.1 选择示波器的要求首先，示波器的带宽应该满足被测试信号的带宽要求。lvds信号的模拟带宽取决于信号的边沿时间，不等于信号的比特速率，一般都比信号的比特速率高的多。如622mbps的信号的带宽可能高达1ghz。因此，选择示波器时需要注意信号的带宽要求。5.2探头的选择由于lvds信号是差分信号，因此，应该尽量采用差分探头，如tek公司的p6247