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凡亿专栏 | LVDS — 低压差分信号必知必会

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LVDS — 低压差分信号必知必会

吴川斌的博客

2024-07-29 10:51:50  392

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随着数据传输速率越来越高，现在计算机系统中的数据传输接口基本上都串行化了，像USB、PCIe、SATA、DP等等外部总线将并行总线挤压到只剩下内存总线这个最后的堡垒。当然，就算是并行传输总线最后的倔强DDR也在不断吸收SERDES上的技术来提升自己，尤其是均衡器（Equalization，EQ）技术，在DDR5标准中，DRAM将被指定涵盖DFE（判决反馈均衡）能力。

随着信号速率的提高，在系统同步接口方式中,有几个因素限制了有效数据窗口宽度的继续增加。

时钟到达两个芯片的传播延时不相等(clock skew)
并行数据各个bit 的传播延时不相等(data skew)
时钟的传播延时和数据的传播延时不一致(skew between data and clock)

要提高接口的传输带宽有两种方式，一种是提高时钟频率，一种是加大数据位宽。那么是不是可以无限制的增加数据的位宽呢?这就要牵涉到另外一个非常重要的问题–同步开关噪声(SSN)，数据位宽的增加，SSN 成为提高传输带宽的主要瓶颈。

由于信道的非理想特性，信号从Tx通过FR4 PCB板传输到Rx，这中间会有信号插损、回损、近/远端串扰，再继续提高频率，信号会严重失真，这就需要采用均衡和数据时钟相位检测等技术，这也就是SerDes所采用的技术。

单端信号和差分信号之间的差异

单端信号即用一根走线来传输信号，信号由相对于地参考平面（0V GND）的电平来确定逻辑“ L”和逻辑“ H”，例如TTL接口或CMOS接口，是单端信号。

随着速率的提高，单端信号的上升/下级沿也变得陡峭，因此，输出开关噪声会导致信号产生过冲和下冲，并且当多位信号同时转换时，还要考虑地弹（ground bounce）问题，同时，单端信号以参考地平面作为信号回流路径，这也为Layout带来了挑战，由传输线阻抗不匹配引起的反射效应会变得非常严重。

差分信号

差分信号有别于单端信号一根信号线传输信号然后参考GND作为高(H)、低（L）逻辑电平的参考并作为镜像流量路径的做法，差分传输在两根传输线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相差180度，极性相反，互为耦合。

差分信号的优点

差分信号的第一个好处是，因为你在控制「基准」电压，所以能够很容易地识别小信号。在一个参考地做「0 V」基准的单端信号传输系统里，测量信号的精确值依赖系统内「0 V」的一致性。信号源和信号接收器距离越远，他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。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，而在某一范围内便可。

差分信号的第二个主要好处是，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。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的EMI还要少。

差分信号提供的第三个好处是，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，我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高真度，而无须依赖虚地的稳定性。

随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求，低压供电成为急需。降低供电电压不仅减少了高密度集成电路的功率消耗，而且减少了芯片内部的散热，有助于提高集成度。减少供电电压和逻辑电压摆幅的一个极好例子是低压差分信号（Low Voltage Differential Signaling LVDS）。

低电压差分信号(LVDS)是一种高速点到点应用通信标准。多点LVDS (M-LVDS)则是一种面向多点应用的类似标准。LVDS和M-LVDS均使用差分信号，通过这种双线式通信方法，接收器将根据两个互补电信号之间的电压差检测数据。这样能够极大地改善噪声抗扰度，并将噪声辐射降至最低。

LVDS是一种用于替代发射极耦合逻辑(ECL)或正发射极耦合逻辑(PECL)的低功耗逻辑。LVDS的主要标准是TIA/EIA-644。有时也会对LVDS使用另一种标准，即IEEE 1596.3—SCI(可扩展一致性接口)。LVDS广泛用于高速背板、电缆和板到板数据传输与时钟分配，以及单个PCB内的通信链路。

LVDS的优势包括