Lvds

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一種低振幅差分信號技術。它使用幅度非常低的信號（約350mV）通過一對差分PCB走線或平衡電纜傳輸數據。它能以高達數千Mbps的速度傳送串行數據。由於電壓信號幅度較低，而且採用恆流源模式驅動，故只產生極低的噪聲，消耗非常小的功率，甚至不論頻率高低功耗都幾乎不變。此外，由於LVDS以差分方式傳送數據，所以不易受共模噪音影響。

LVDS最早是由美國國家半導體公司（National Semiconductor）提出的一種高速信號傳輸電平，此後，LVDS在下列兩個標準中作了定義：IEEEP1996.3（1996年3月通過），主要面向SCI（Scalable Coherent Interface）.定義了LVDS的電特性，還定義了SCI協議中包交換時的編碼；ANS/EIA/EIA-644（1995年11月通過），主要定義了LVDS的電特性，並建議了最大傳輸速率及理論極限速率等參數。通常提到的LVDS標準是指後者。2001年ANS/EIA/EIA-644標準已重新修訂發表。 ^[2] 

隨着電子設計技術的不斷進步，高速率信號的互連及寬帶信道的應用與日俱增，所需傳送的數據量越來越大，速度越來越快。目前，存在的點對點物理層接口如RS-422、RS-485、SCSI以及其它數據傳輸標準，由於在速度、噪聲、EMI/EMC、功耗、成本等方面所固有的限制，使其越來越難以勝任實際應用。同樣隨着軍事電子技術的發展，在空間通信領域，如跟蹤與數據中繼衞星系統（TDSS）中，為了實現高速數據中繼和測距、測速.必須首先解決傳輸速率高、佔用帶寬寬所帶來的問題；在雷達應用領域，各種新體制雷達的出現以及在寬帶偵收、電子對抗等不同領域的應用同樣不可避免地面臨高速數據的採集和傳輸問題；因此，採用新的I/O接口技術來解決數據傳輸這一瓶頸問題顯得日益突出。LVDS以其固有的低電壓、低功耗和有利於高速傳輸等特點，越來越成為寬帶高速系統設計的首選接口標準。目前，LVDS技術在通信領域的應用更是日益普及，尤其是在基站、大型交換機以及其它高速數據傳輸系統中，LVDS正在發揮着不可替代的作用。 ^[2] 

LVDS的基本工作原理圖示於圖1。其源端驅動器由一個恆流源（通常約為3.5mA，最大不超過4mA）驅動一對差分信號線組成。接收端的接收器本身為高直流輸入阻抗，所以幾乎全部的驅動電流都流經100Ω的終端匹配電阻，並在接收器輸入端產生約350mV的電壓。當源端驅動狀態反轉變化時，流經匹配電阻的電流方向改變，於是在接收端產生高低邏輯狀態的變化。

為適應共模電壓的在寬範圍內的變化，一般情況下，LVDS的接收器輸入級還包括一個自動電平調整電路，該電路將共模電壓調整為一固定值，其後面是一個Schmitt觸發器，而且，為防止Scdhmitt觸發器不穩定，設計有一定的回滯特性，Schmitt後級才是差分放大器。 ^[2] 

LVDS之所以成為目前高速I/O接口的首選信號形式來解決高速數據傳輸的限制，就是因為它在傳輸速度、功耗、抗噪聲、EMI等方面具有優勢。

①高速傳輸能力。在ANS/EIA/EIA-64定義中的LVDS標準，理論極限速率為1.923Gbps，恆流源模式、低擺幅輸出的工作模式決定着IVDS具有高速驅動能力。

②低功耗特性。LVDS器件是用CMOS工藝實現的，而CMOS能夠提供較低的靜態功耗；當恆流源的驅動電流為3.5mA，負載（100Ω終端匹配）的功耗僅為1.225mW；LVDS的功耗是恆定的，不像CMOS收發器的動態功耗那樣相對頻率而上升。恆流源模式的驅動設計降低了系統功耗，並極大地降低了頻率成分對功耗的影響。雖然當速率較低時，CMOS的功耗比LVDS小，但是隨着頻率的提高，CMOS的功耗將逐漸增加，最終需要消耗比LVDS更多的功率。通常，當頻率等於200MSps時，LVDS和CMOS的功耗大致相同。

③供電電壓低。隨着集成電路的發展和對更高數據速率的要求，低壓供電成為急需。降低供電電壓不僅減少了高密度集成電路的功率消耗，而且減少了芯片內部的散熱壓力，有助於提高集成度。LVDS的驅動器和接收器不依賴於特定的供電電壓特性，這決定了它在這方面佔據上峯。

④較強的抗噪聲能力。差分信號固有的優點就是噪聲以共模的方式在一對差分線上耦合出現，並在接收器中相減，從而可消除噪聲，所以LVDS具有較強的抗共模噪聲能力。

⑤有效地抑制電磁干擾。由於差分信號的極性相反，它們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合得越緊密，泄放到外界的電磁能量就越少，即降低了EMI。

⑥時序定位精確。由於差分信號的開關變化是位於兩個信號的交點。而不像普通單端信號依靠高低兩個閥值電壓判斷，因而受工藝，温度的影響小，能降低時序上的誤差，有利於高速數字信號的有效傳輸。

⑦適應地平面電壓變化範圍大。LVDS接收器可以承受至少士1V的驅動器與接收器之間的地的電壓變化。由於IVDS驅動器典型的偏置電壓為+1.2V，地的電壓變化、驅動器的偏置電壓以及輕度耦合到的噪聲之和，在接收器的輸入端，相對於驅動器的地是共模電壓。當擺幅不超過400mV時，這個共模範圍是+0.2V~+2.2V，進而，一般情況下，接收器的輸入電壓範圍可在0V~+2.4V內變化。

正是因為LVDS具有上述的主要特點，才使得HyperTransport（by AMD） ^[3]  ，Irfiniband（ly Intel），PCI-Express（by Intel）等第三代I/O總線標準（3G IO）不約而同地將低壓差分信號（IVDS）作為下一代高速信號電平標準。 ^[2] 

在雷達應用領域，隨着技術的發展，新體制雷達如DBF體制雷達、相控陣雷達等的出現和普及，所需處理的信號帶寬和信號通道數大幅度增加，面臨着大數據量的傳輸問題。因此採用的新的技術解決I/O接口問題成為必然趨勢，LVDS這種高速低功耗接口標準使解決這一傳輸瓶頸問題成為可能。所以，目前LVDS技術在高速雷達及高速接收系統中應用非常廣泛；利用LVDS技術實現點對點的單板互聯，系統結構可擴展性非常好，實現了線卡及各個分系統的高集成度，並且完全能滿足數據的採集和傳輸的要求。

在民用方面，這種技術可支持高速數據傳送，最適用於基站、交換器、加/減多路轉換器等通信結構應用方案，機頂盒和家庭/企業視頻鏈路等消費產品應用方案以及醫療用超聲波影像設備與數字影印機等，確保系統分區操作可以發揮更大的靈活性。系統設計工程師可以利用LVDS技術將模擬及數字信號處理區段設於不同的電路板，然後利用電纜或底板傳送A/D轉換器輸出的數字數據，以確保結構設計可以發揮更大的靈活性。目前，各類高速AD轉換器基本上都選擇使用LVDS信號作為採樣數據的輸出格式，其輸出形式多為並行輸出。同時，支持IWDS與其它電平互換的專用芯片和LVDS降速專用芯片也是層出不窮，主要以MAXM、NI以及TI等幾家國外公司為代表。

另外，在測控系統的高速數傳、SAR雷達偵察接收和高速數字圖像傳輸應用中，LVDS都有非常廣闊的應用空間。尤其是最近和未來數年，航空航天、軍事、通信等部門對體制靈活的高碼率通信系統的需求持續增長。一方面，傳統通信系統的核心，濾波器、混頻器等諸多環節由於多是採用模擬器件實現，在系統的可靠性、靈活性、升級維護等方面都受到了極大的制約，另一方面，近20年來、微電子技術、集成電路、數字通信理論等高速發展、為採用數字方式實現高碼率通信系統的諸多環節提供了可能。根據目前所獲得的資料，國外已經研製成功多款性能卓越，靈活多用的全數字高碼率基帶信號處理機。在這樣大的背景之下，作為致力於發展我國的軍事電子技術，尤其是專注於航天測控領域相關技術和產品的研究和開發的單位，目前，我們已在高碼率數傳技術的研究過程中取得重大突破，其中應用的關鍵技術之一就是LVDS技術 ^[2]  。