二、差分信号 1 差分信号
差分信号用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能相对于另一个电压而言。在某些系统里，系统‘地’被用作电压基准点。当‘地’作为电压测量基准时，这种信号规划被称为单端的。使用该术语是因信号采用单个导体上的电压来表示的；另一方面，一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。
差分信号具有如下优点：
（1）因为可以控制“基准”电压，所以很容易识别小信号。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与‘地’的精确值无关，而在某一范围内。
（2）它对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。
（3）在一个单电源系统，能够从容精确地处理‘双极’信号。为了处理单端、单电源系统的双极信号，必须在地与电源干线之间任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地的电压表示正极信号，低于虚地的电压表示负极信号。必须把虚地正确分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使处理和传播双极信号有一个高逼真度，而无须依赖虚地的稳定性。 LVDS、PECL、RS-422等标准都采取差分传输方式。
2 LVDS总线
LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种小振幅差分信号技术。LVDS在两个标准中定义：1996年3月通过的IEEE P1596.3主要面向SCI(Scalable Coherent Interface)，定义了LVDS的电特性，还定义了SCI协议中包交换时的编码；1995年11月通过的ANSI/EIA/EIA-644主要定义了LVDS的电特性，并建议655Mbps的最大速率和1.923Gbps的小失真理论极限速率。在两个标准中都指定了与传输介质无关的特性。只要传输介质在指定的噪声容限和可允许时钟偏斜的范围内发送信号到接收器，接口都能正常工作。可用于服务器、可堆垒集线器、无线基站、ATM交换机及高分辨率显示等，也可用于通信系统的设计。
LVDS（Low Voltage Differential Signal）即低电压差分信号，0世纪90年代才出现的一种数据传输和接口_技术。 最基本的LVDS器件就是LVDS驱动器和接收器。LVDS的驱动器由驱动差分线对的电流源组成，电流通常为3.5 mA。LVDS接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的大部分电流都流过100 Ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350 mV的电压。当驱动器翻转时，它改变流经电阻的电流方向，因此产生有效的逻辑“1”和逻辑“0”状态。
LVDS技术在两个标准中被定义：ANSI/TIA/EIA644 (1995年11月通过)和IEEE P1596.3 (1996年3月通过)。这两个标准中都着重定义了LVDS的电特性，包括：
① 低摆幅（约为350 mV）。低电流驱动模式意味着可实现高速传输。ANSI/TIA/EIA644建议了655 Mb/s的最大速率和1.923 Gb/s的无失真通道上的理论极限速率。
② 低压摆幅。恒流源电流驱动，把输出电流限制到约为3.5 mA左右，使跳变期间的尖峰干扰最小，因而产生的功耗非常小。这允许集成电路密度的进一步提高，即提高了PCB板的效能，减少了成本。
③ 具有相对较慢的边缘速率（dV/dt约为0.300 V/0.3 ns,即为1 V/ns）,同时采用差分传输形式，使其信号噪声和EMI都大为减少，同时也具有较强的抗干扰能力。所以，LVDS具有高速、超低功耗、低噪声和低成本的优良特性。
LVDS的应用模式可以有四种形式：
① 单向点对点（point to point），这是典型的应用模式。
② 双向点对点（point to point），能通过一对双绞线实现双向的半双工通信。可以由标准的LVDS的驱动器和接收器构成；但更好的办法是采用总线LVDS驱动器，即BLVDS,这是为总线两端都接负载而设计的。
③ 多分支形式(multidrop)，即一个驱动器连接多个接收器。当有相同的数据要传给多个负载时，可以采用这种应用形式。
④ 多点结构（multipoint）。此时多点总线支持多个驱动器，也可以采用BLVDS驱动器。它可以提供双向的半双工通信，但是在任一时刻，只能有一个驱动器工作。因而发送的优先权和总线的仲裁协议都需要依据不同的应用场合，选用不同的软件协议和硬件方案。
为了支持LVDS的多点应用，即多分支结构投嗟憬峁梗?001年新推出的多点低压差分信号（MLVDS）国际标准ANSI/TIA/EIA 8992001，规定了用于多分支结构和多点结构的MLVDS器件的标准，目前已有一些MLVDS器件面世。
LVDS技术的应用领域也日渐普遍。在高速系统内部、系统背板互连和电缆传输应用中，驱动器、接收器、收发器、并串转换器/串并转换器以及其他LVDS器件的应用正日益广泛。接口芯片供应商正推进LVDS作为下一代基础设施的基本构造模块，以支持手机基站、中心局交换设备以及网络主机和计算机、工作站之间的互连。
2.1 LVDS工作原理
LVDS的原理其驱动器由一个恒流源（通常为3.5mA）驱动一对差分信号线组成。在接收端有一个高的直流输入阻抗（几乎不会消耗电流），几乎全部的驱动电流将流经100Ω的接收端电阻在接收器输入端产生约350mV的电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生有效的“0”或“1”逻辑状态。
2.2 LVDS技术优势
（1）高速度：LVDS技术的恒流源模式低摆幅输出意味着LVDS能高速切换数据。例如，对于点到点的连接，传输速率可达数百Mbps。
（2）高抗噪性能：噪声以共模方式在一对差分线上耦合出现，并在接收器中相减从而可消除噪声。这也是差分传输技术的共同特点。
（3）低电压摆幅：使用非常低的幅度信号（约350mV）通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。LVDS的电压摆幅是PECL的一半，是RS-422的1/10；由于是低摆幅差分信号技术，其驱动和接收不依赖于供电电压，因此，LVDS可应用于低电压系统中，如5V、3.3V甚至2.5V。
（4）低功耗：接收器端的100Ω阻抗功率仅仅为1.2mV。RS-422接收器端的100Ω阻抗功率为90mV，是LVDS的75倍！LVDS器件采用CMOS工艺制造，CMOS工艺的静态功耗极小。LVDS驱动器和接收器所需的静态电流大约是PECL/ECL器件的1/10。LVDS驱动器采用恒流源驱动模式，这种设计可以减少1cc中的频率成分。从1cc与频率关系曲线图上可以看到在10MHz～100MHz之间，曲线比较平坦；而TTL/CMOS以及GTL接收器件的动态电流则随着频率地增加呈指数增长，因为功率是电流的二次函数，所以动态功耗将随着频率的提高而大幅度提高。
（5）低成本：LVDS芯片是标准CMOS工艺实现技术，集成度高；接收端阻抗小，连线简单，节省了电阻电容等外围元件；低能耗；LVDS总线串行传输数据，LVDS芯片内部集成了串化器或解串器，与并行数据互联相比，节省了约50%的电缆、接口及PCB制作成本。此外，由于连接关系大大简化，也节省了空间。
（6）低噪声：由于两条信号线周围的电磁场相互抵消，故比单线信号传输电磁辐射小得多。恒流源驱动模式不易产生振铃和切换尖锋信号，进一步降低了噪声。
三、各种逻辑电平之间的比较和互连转化
3.1各种逻辑电平之间的比较
这几种高速逻辑电平在目前都有应用，但它们在总线结构、功率消耗、传输速率、耦合方式等方面都各有特点。为了便于应用比较，现归纳以上三类电平各方面的特点。
3.2各种逻辑电平之间的互连
这三类电平在互连时，首先要考虑的就是它们的电平大小和电平摆幅各不一样，必须使输出电平经过中间的电阻转换网络后落在输入电平的有效范围内。各种电平的摆幅比较如图6所示。
其次，电阻网络要考虑到匹配问题。例如我们知道，当负载是50 Ω接到VCC-2 V 时，LVPECL 的输出性能是最优的，因此考虑的电阻网络应该与最优负载等效；LVDS 的输入差分阻抗为100 Ω，或者每个单端到虚拟地为50 Ω，该阻抗不提供直流通路，这里意味着LVDS输入交流阻抗与直流阻抗不等，电阻值的选取还必须根据直流或交流耦合的不同情况作不同的选取。另外，电阻网络还必须与传输线匹配。
另一个问题是电阻网络需要在功耗和速度方面折中考虑：既允许电路在较高的速度下工作，又尽量不出现功耗过大。
下面以图7所示的LVPECL到LVDS的直流耦合连接为例，来说明以上所讨论的原则。
传输线阻抗匹配原则：
Z≈R1//(R2+R3)
根据LVPCEL输出最优性能：
降低LVPECL摆幅以适应LVDS的输入范围：Gain=R3/(R2+R3)
根据实际情况，选择满足以上约束条件的电阻值，例如当传输线特征阻抗为50 Ω时，可取R1=120 Ω，R2=58 Ω，R3=20 Ω即能完成互连。
由于LVDS 通常用作并联数据的传输，数据速率为155 Mbps、622 Mbps或1.25 Gbps；而CML 常用来做串行数据的传输，数据速率为2.5 Gbps或10 Gbps。一般情况下，在传输系统中没有CML和LVDS 的互连问题。 |
