【導讀】與ECL、PECL和CML等高速信號分配相關(guān)的標準相比，ANSI EIA/TIA-644的低電壓差分信號(LVDS)標準具有低功耗、低噪聲輻射等優(yōu)勢。本應用筆記對比了這些通信標準的特性，并討論了LVDS標準的優(yōu)勢。
引言
隨著(zhù)微處理器、DSP和數字ASIC時(shí)鐘頻率的提高，背板信號的通信速率也在不斷提高。較快的時(shí)鐘速率使得基于TTL的單端信號的弱點(diǎn)越來(lái)越突出，主要表現在：功耗增大、抖動(dòng)(導致誤碼)、高電平輻射、傳輸線(xiàn)效應(如阻抗失配和串擾)、電源去耦難度增大以及其它一些問(wèn)題。盡管一般認為利用該技術(shù)速率能夠保持在50MHz以上，但是，上述問(wèn)題迫使設計人員尋求更為有效的解決方案。
提高所有總線(xiàn)和/或背板帶寬的一個(gè)方法是增加總線(xiàn)寬度，但采用這種方法會(huì )增大PCB布局難度，而且需要引腳數非常多的連接器，導致系統成本提高、而且非常笨重。當距離超出幾個(gè)厘米時(shí)，采用串行通信方式是解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效方案。高速數據通信系統，如3G基站、路由器、加載/卸載復用器及其它設備，采用串行通信方式能夠獲得很大收益。
采用低壓差分信號(LVDS)替代TTL信號，能夠降低背板通信的誤碼率、串擾和輻射。
LVDS、ECL、PECL和CML的特征
LVDS在需要信號完整性、低抖動(dòng)(抖動(dòng)定義為信號的輸出跳變時(shí)間與理想值的偏差)及較高共模特性的高速系統中得到了越來(lái)越廣泛的應用。LVDS是目前用于高速串行接口的有效方案之一。
其它標準包括(由低速到高速排列)：ECL (射極耦合邏輯)、PECL (正ECL)、CML (電流模式邏輯)，這些標準均采用差分信號。
ECL是傳統的高速邏輯標準，它基于雙極型晶體差分對管，采用負偏置電源。PECL由ECL發(fā)展而來(lái)，采用正電源。新一代的ECL器件具有200ps左右的延遲時(shí)間，可應用于頻率大于3GHz的系統。
在現有的接口標準中，CML的工作速率最高，可用于千兆位數據速率的系統。與其它標準相比，CML還具有一個(gè)額外的優(yōu)勢：集成了一個(gè)50Ω匹配電阻，大大簡(jiǎn)化了實(shí)現良好匹配的設計。但是當鏈路每個(gè)端點(diǎn)工作在不同的電源電壓時(shí)，需外接耦合元件。
本文主要討論LVDS的特性及其可能的應用，表1列出了LVDS的一些特性參數以及與ECL、PECL和CML系統的對比結果。按照EIA/TIA-644 LVDS和IEEE® 1596.3標準規定，LVDS采用差分信號，信號幅度范圍為250mV至400mV、直流偏置1.2V。
表1. 高速通信系統的對比*
*ECL和PECL發(fā)送器輸出信號的擺幅高于LVDS發(fā)送器的信號擺幅，較高的輸出擺幅和較短的傳輸延時(shí)使得ECL和PECL器件具有更高的功耗。
LVDS的優(yōu)勢
LVDS的差分特性為其帶來(lái)了許多優(yōu)點(diǎn)：抑制共模噪聲、理論上自身不產(chǎn)生噪聲(假設差分信號完全對稱(chēng)，即正、負輸出之間沒(méi)有畸變)。LVDS能夠用CMOS工藝實(shí)現，便于同其它電路一起集成。
由于LVDS采用差分信號，因此吸取電源電流的峰值較低，只需加適當的去耦電容即可解決電源去耦問(wèn)題。通常LVDS消耗的功率低于ECL和CML，當然，在某種程度上這取決于所采用的匹配方案。
LVDS的應用
LVDS大多用于時(shí)鐘分配和多個(gè)單點(diǎn)至單點(diǎn)的信號分配。時(shí)鐘分配對于不同子系統需要同一參考時(shí)鐘的數字系統非常重要，例如：多數情況下基站的DSP需要與射頻信號處理電路同步，利用鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生所需要的本振頻率，ADC被鎖存到中心參考時(shí)鐘。當與無(wú)線(xiàn)接收機一起工作時(shí)，還必須以盡可能低的輻射分配時(shí)鐘(和信號)，以避免對小信號通路的干擾。
把高速信號分配給不同單元時(shí)可以采用不同的策略，其中有兩種極端情況：一種是將一路信號源/驅動(dòng)器的信號分配給所有單元(稱(chēng)為多點(diǎn)分配器)；另一種是對每一個(gè)單元采用一個(gè)獨立的驅動(dòng)器(稱(chēng)為多個(gè)單點(diǎn)至單點(diǎn)分配器)。圖1說(shuō)明了這兩種分配架構的區別。對于多點(diǎn)分配器，驅動(dòng)器要保證足以驅動(dòng)所有的接收器和傳輸媒介(電纜、連接器、背板)，總線(xiàn)通常需要在末級接收器加匹配阻抗。所有分支與總線(xiàn)的距離必須盡可能短，以避免引起信號完整性問(wèn)題，在高密度PCB普遍應用的今天，較好地控制分支長(cháng)度并非易事。
圖1. 多點(diǎn)信號分配允許一個(gè)發(fā)送器與多個(gè)接收器之間的通信；多個(gè)單點(diǎn)至單點(diǎn)信號分配不需要中間接頭，也消除了接頭產(chǎn)生的干擾。
多個(gè)單點(diǎn)至單點(diǎn)分配結構中需要多路驅動(dòng)器，可定義為點(diǎn)到點(diǎn)的操作，每路驅動(dòng)器與一路本地終端接收機之間通信。這種結構減少了信號完整性問(wèn)題，能夠保證傳輸媒介的阻抗盡可能一致，消除了多條支路產(chǎn)生的干擾。
本文來(lái)源于Maxim。
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