LVDS在通信系統(tǒng)背板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

http://www.ex-cimer.com/article/201612/332853.htm

通常用100歐姆電阻跨在差分信號線上。

LVDS器件是用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的，這樣就能提供低的靜態(tài)功耗。除了負(fù)載上的功耗和靜態(tài)Icc電流外,LVDS還通過其電流模式驅(qū)動設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)功耗。這個設(shè)計(jì)極大地減低了Icc的頻率成份影響。然而，TTL/CMOS收發(fā)器的動態(tài)功耗對于頻率呈指數(shù)上升。

二、LVDS四種典型結(jié)構(gòu)

1.點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)。LVDS發(fā)送和接收常采用點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以用于在背板上兩點(diǎn)間固定方向信號的傳輸。

2.點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)（見圖1）。這種廣播式結(jié)構(gòu)連接多個接收端到一個發(fā)送端。常用于背板數(shù)據(jù)分配。其數(shù)據(jù)率從DC到數(shù)百兆bps，而且能傳到幾十米遠(yuǎn)的距離。在沒有中心交換卡或交換芯片情況下，這種總線結(jié)構(gòu)可以向接收器方向逐級延伸，這種延伸的結(jié)果將導(dǎo)致背板上的互連減少（連接器腳數(shù)減少，背板上PCB布線條數(shù)更少），甚至在許多應(yīng)用場合，PCB板的層數(shù)可以減少。（見圖2）。

3．多點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這種多點(diǎn)互連總線使點(diǎn)與點(diǎn)之間互連降至最少（PCB布線路徑和連接器腳數(shù)），同時提供雙向、半雙工通信能力。對于這種結(jié)構(gòu)而言，同一時間只能有一個發(fā)送器在工作，因而發(fā)送的優(yōu)先權(quán)以及總線仲裁協(xié)議，都需要依據(jù)不同的應(yīng)用場合、選用不同的軟件協(xié)議和硬件方案。
4 矩陣開關(guān)結(jié)構(gòu)用?？ㄔ谛枰浅８叩男盘柦粨Q的背板應(yīng)用系統(tǒng)中，矩陣開關(guān)結(jié)構(gòu)總線常被采用。通過矩陣開關(guān)的控制，在同一時間可以有多個發(fā)送器工作，從而完成全雙工通信。

三、常用LVDS產(chǎn)品

1、總線LVDS。在一些大的數(shù)據(jù)通信和電信系統(tǒng)中，構(gòu)造一個非常大的高速的背板是必需的。通常，背板的大小尺寸和其最大速度是相反的關(guān)系。換言之，如果將背板做得太大，這些重負(fù)載將嚴(yán)重妨礙背板的速度，而且使功耗及噪聲成為大問題。因此，在這方面使用LVDS技術(shù)是最理想的解決方法。

總線LVDS是LVDS線路發(fā)送和接收器系列的擴(kuò)展，它們被特殊地設(shè)計(jì)為背板上多點(diǎn)通信的應(yīng)用場合，這時總線兩端都終接電阻。它們也被用于重負(fù)載的背板上，那里的等效阻抗低于100歐姆。這時，發(fā)送器會有一個30～50歐姆范圍的負(fù)載?？偩€LVDS發(fā)送器提供約10mA的輸出電流，因而它們提供LVDS擺幅于更重的終端負(fù)載上。它能夠高速驅(qū)動點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)總線，舉例如下：

· 多點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)FR4背板，20塊卡作為負(fù)載插入總線，傳輸速度為155Mbps。

· 多點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)FR4背板，10塊卡作為負(fù)載插入總線，傳輸速度為400Mbps。

· 運(yùn)用總線LVDS時鐘緩沖器，可以得到極好的66MHz時鐘信號。

· 對于點(diǎn)到點(diǎn)的連接，傳輸速度可達(dá)到800Mbps。

2、串行/解串器。它們吸收了LVDS的優(yōu)點(diǎn)（高速及低功耗、低噪聲、低成本）及其串行化更加減小了電纜、連接器及PCB的尺寸及成本。它對于高速數(shù)據(jù)總線的擴(kuò)充是非常理想的解決方案，不需要任何協(xié)議來支持。

四、LVDS背板設(shè)計(jì)技巧

PCB板布線總的原則：阻抗匹配是非常重要的，差分阻抗的不匹配會產(chǎn)生反射，這就會減弱信號而且也會增加共模噪聲。線路上的共模噪聲將產(chǎn)生EMI。要盡量在信號離開IC后控制差分阻抗的走線，盡力保持尾端在＜12mm的范圍。另外，布線要避免90度轉(zhuǎn)彎，要用45度轉(zhuǎn)彎、圓角或斜角PCB走線，在每個芯片上用旁路電容，且要保證每路電源或地線寬而短，并且用許多過孔來使到電源板的電感最小。

五、LVDS背板設(shè)計(jì)建議

1．PCB板的設(shè)計(jì)

a）最少用4層PCB板，即LVDS信號、地、電源、TTL信號。背板高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常將Vcc和地線用專門的層。電源線和地線之間的窄帶空間也是極好的高頻旁路電容。

b）將陡的CMOS/TTL信號與LVDS信號隔離，否則這些含有噪聲的單端CMOS/TLL信號會交叉耦合到LVDS線上，最好將TLL和LVDS信號放在不同的層上，并用電源和地層隔開。

c）保持發(fā)送器和接收器盡可能靠近接插件（LVDS端口側(cè)）。這有助于保證板上噪聲不會被帶到差分線上，而且避免電路板及電纜線間的交叉EMI干擾。

d）旁路每個LVDS器件，并用分布式散裝電容和表貼電容放在靠近電源和地線引腳處時工作狀態(tài)最好。供電：在電源和地間放一個4.7μF 35V鉭電容時工作狀態(tài)最好。鉭電容的額定電壓較關(guān)鍵，不應(yīng)低于5倍Vcc。有些電解電容也工作得較好。Vcc引腳：如果可能的話，用一個或兩個并聯(lián)多層陶瓷表貼電容（0.1μF及0.01μF），放在每個Vcc引腳和地線之間，最好盡量靠近Vcc引腳使寄生效應(yīng)最小。

e）電源和地線應(yīng)用較寬的線。

2．背板上差分布線的設(shè)計(jì)

a)所布的差分線對一離開IC就盡早盡可能靠近在一起走線，這有助于消除反射并保證噪聲是以共模方式耦合。事實(shí)上，我們看到相距1mm的差分信號輻射的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3mm布線。

b)在一對布線之間匹配其長度。

c)對于差分布線不要只依賴于自動布線功能。仔細(xì)地檢查尺寸用以匹配走線長度并且確保各組差分線之間隔離。

d) 使線上過孔的數(shù)量最少。

e) 避免90度轉(zhuǎn)彎，（以防止造成阻抗不連續(xù)），用孤線或45度斜線代替。

f)在一對走線內(nèi)，兩條線之間距離要盡量小，以保持接收器的共模抑制。

3．終端負(fù)載的問題

a)用一個終端電阻匹配傳輸線上的差分阻抗。在點(diǎn)到點(diǎn)的電纜應(yīng)用中應(yīng)在90歐姆到130歐姆之間。電流模式的輸出需要用終端電阻來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牟罘蛛妷骸?br>
b) 在接收端的盡頭的線對上跨接一個電阻。

c)表貼電阻最好。PCB短線、元件引腳、以及從終端電阻到接收器的輸入端的距離應(yīng)最短。終端電阻到接收器輸入端的距離應(yīng)小于7mm（最大12mm）。

d)電阻誤差要用1％或2％的。從反射的觀點(diǎn)來看，一個10％阻抗的不匹配電阻會引起5％的反射。電阻越接近匹配越好。

4．空閑引腳的處理

LVDS輸入：讓空閑LVDS接收器輸入端開路（懸空），因其內(nèi)部防錯電路將鎖定輸出為高態(tài)。這些接收器輸入端的空腳不應(yīng)連到象電纜或長的PCB走線等噪聲源上，使其在引腳附近懸空。LVDS接收器是高速、高增益器件，如果拾取差分信號將導(dǎo)致接收器動作。這將在輸出端產(chǎn)生錯誤傳輸而且會增加功耗。

LVDS及TTL輸出：讓有空LVDS及TTL輸出端開路（懸空）以節(jié)省功耗。不要將它們連到地線上。
TTL輸入：連接無用的TTL發(fā)送/驅(qū)動輸入、控制/使能信號，到電源或地或某種可能保持開路的狀況。有些器件提供內(nèi)部下拉（或上拉）器件來偏置其引腳。最好參考數(shù)據(jù)手冊以獲得器件特性的信息。這類信息通常包含在引腳描述表中。

5．背板所用電纜的選擇

盡量使用平衡電纜，如雙絞線、雙芯電纜，或者緊密耦合的差分布線電路。LVDS可以使用廣泛的多種介質(zhì)。在有些非常短（<0.3m）的應(yīng)用中，帶狀電纜或柔性電路也可以用。在籠到籠的背板間的應(yīng)用中，雙絞線或雙芯電纜由于其穩(wěn)定性、屏蔽性及平衡性是更好的選擇。

6．接插件的選擇

背板上一般的應(yīng)用是使用標(biāo)準(zhǔn)連接器——有差分信號、電源、地和單端信號引腳，圖3就是一種含有差分和單端信號的連接器。

在單連接頭的連接器上，差分信號通常連接在一行中靠近的兩個連接腳上最好， 因它們使傳輸線長度一致。一行中連接器腳長度越短，提供的傳輸線性能越好。地信號腳主要用于隔離大擺幅信號（TTL）和小擺幅信號（LVDS）。

總之，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，以下幾點(diǎn)應(yīng)該優(yōu)先得到考慮：

1） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須優(yōu)先考慮電源和地在系統(tǒng)中的分布；

2） 第二步就是考慮傳輸線的結(jié)構(gòu)及其布局布線；

3） 完成余下的數(shù)字部分設(shè)計(jì)；

4） 經(jīng)常觀察和修改整個布局。
在背板多點(diǎn)互連應(yīng)用中，總線LVDS的終端匹配非常簡單，只需把一個表面貼裝的電阻跨接在一對傳輸線上即可。這個匹配電阻的阻值應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蚵源笥谙嚓P(guān)傳輸線對的差分阻抗。匹配電阻放置在背板上總線的兩端。

結(jié)論：在通信系統(tǒng)背板的設(shè)計(jì)中，采用LVDS技術(shù)，適當(dāng)掌握一些設(shè)計(jì)技巧，我們就可以使復(fù)雜的系統(tǒng)有很高的可靠性、高數(shù)據(jù)率、低噪聲及低成本。