1.LVDS (الإشارات التفاضلية ذات الجهد المنخفض) هو معيار كهربائي لنقل الإشارات تم تقديمه في عام 1994 من قبل الشركة الوطنية لأشباه الموصلات بالولايات المتحدة. لقد تم تطويره إلى حد كبير ليحل محل المنطق المقترن بالباعث (ECL) أو المنطق المقترن بالباعث الإيجابي (PECL). LVDS عبارة عن تقنية إشارات تفاضلية ذات سعة صغيرة تنقل البيانات عبر زوج من آثار PCB التفاضلية أو الكابلات المتوازنة باستخدام إشارات ذات سعة منخفضة جدًا (حوالي 350 مللي فولت). يدعم LVDS الاتصالات من نقطة إلى نقطة أو من نقطة إلى عدة نقاط ويتميز باستهلاك منخفض للطاقة، ومعدل خطأ منخفض في البتات، وتداخل منخفض، وإشعاع كهرومغناطيسي منخفض. تعمل إشاراتها الفريدة ذات السعة المنخفضة ووضع محرك التيار المستمر على توليد الحد الأدنى من الضوضاء وتستهلك طاقة قليلة جدًا، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في تطبيقات اتصالات البيانات التسلسلية عالية السرعة مثل اللوحات الإلكترونية المعززة، وتوزيع الساعة، ونقل البيانات من لوحة إلى لوحة، وروابط البيانات القائمة على الكابلات.

2. تتبع بنية نقل LVDS معيار TIA/EIA-644 وهي مصممة خصيصًا للطبقة المادية، مما يعني أنها تركز على نقل الإشارة على المستوى الكهربائي دون إشراك بروتوكولات نقل البيانات. يتكون نظام نقل الإشارة LVDS عادةً من ثلاثة مكونات رئيسية: جهاز إرسال تفاضلي، وجهاز استقبال تفاضلي، وربط بيني تفاضلي.

● جهاز الإرسال التفاضلي: يحول إشارات TTL أحادية الطرف إلى إشارات LVDS متوازنة للإرسال التفاضلي.  

● جهاز الاستقبال التفاضلي: يحول إشارات LVDS المتوازنة المستلمة مرة أخرى إلى إشارات TTL أحادية الطرف.  

● التوصيل البيني التفاضلي: يتضمن وسائط التوصيل (مثل الكابلات أو آثار PCB) ومقاوم الإنهاء. وفقًا لمواصفات IEEE، تكون مقاومة الإنهاء عادةً 100 أوم.

3. مبدأ تشغيل LVDS: يتكون برنامج تشغيل LVDS من مصدر تيار ثابت يدفع الخط التفاضلي، والذي يتم ضبطه عادةً عند 3.5 مللي أمبير. يتمتع جهاز الاستقبال LVDS بممانعة دخل عالية جدًا (لا يسحب أي تيار تقريبًا)، لذلك يتدفق معظم التيار من المحرك عبر مقاومة الإنهاء 100 أوم، مما يولد جهدًا يبلغ حوالي 350 مللي فولت عبر أطراف إدخال جهاز الاستقبال. عندما يقوم السائق بتبديل الحالة، ينعكس اتجاه التيار عبر المقاومة، مما ينتج عنه الحالات المنطقية "1" والمنطق "0".

منطق الإخراج "1": تستخدم مرحلة إخراج LVDS مصدر تيار 3.5 مللي أمبير وتتكون من زوجين من MOSFETs (أربعة ترانزستورات) تشكل زوج إخراج تفاضلي. عند تشغيل A+ وإيقاف B-، يتدفق التيار من مصدر التيار الثابت عبر Q2 (A+ MOSFET)، ويحرك الخرج، ويمر عبر مقاومة الإنهاء 100 Ω، ويعود عبر Q3 (A+ MOSFET) إلى جانب السائق، ويتم توصيله بـ GND. يولد هذا المسار الحالي جهد خرج عبر مقاومة الإنهاء 100 Ω بقيمة: 3.5 مللي أمبير × 100 Ω = 350 مللي فولت، مما يمثل المنطق "1". اتجاه التيار كما هو مبين في الشكل أدناه:

منطق الإخراج "0": عند تشغيل B− وإيقاف تشغيل A+، يتدفق تيار محرك الأقراص 3.5 مللي أمبير من Q1 (B− MOSFET)، ويمر عبر مقاومة الإنهاء 100 Ω، ويعود عبر Q4 (B− MOSFET) في برنامج التشغيل إلى GND. هذا المسار الحالي يولد أيضًا جهدًا عبر مقاومة الإنهاء 100 أوم، لكن اتجاه التيار يكون معاكسًا لاتجاه الحالة "A+ on, B− off". ونتيجة لذلك، يتم إنتاج جهد عكسي: −3.5 مللي أمبير × 100 Ω = −350 مللي فولت، وهو ما يمثل المنطق "0". الاتجاه الحالي كما هو مبين في الشكل أدناه:

4. خصائص LVDS:

① النقل التفاضلي: تستخدم إشارات LVDS طريقة نقل تفاضلي، مما يعني أن كل خط إشارة له خط إشارة مكمل (مقلوب) مناظر. يكون فرق الجهد بين خط الإشارة والخط المكمل له متماثلًا في المستويات الموجبة والسالبة. يساعد هذا النهج التفاضلي على تقليل التداخل وقمع الحديث المتبادل، وبالتالي تحسين جودة الإشارة واستقرارها.

② خصائص الجهد: يتمتع خطا الإشارة التفاضلية LVDS - الموجب (A+) والسالب (B−) - بجهد متحيز للوضع المشترك يبلغ 1.2 فولت وتأرجح جهد تفاضلي قدره 350 مللي فولت. إذا قمنا بقياس أشكال موجات الإشارة باستخدام راسم الذبذبات وحساب الفرق بين الجهدين: (A+) - (B−)، فإن التأرجح التفاضلي الناتج سيكون -350 مللي فولت للمنطق "0" و +350 مللي فولت للمنطق "1". يظهر الشكل الموجي في الشكل أدناه:

③ محرك التيار المستمر: يستخدم LVDS بنية قيادة مصدر تيار ثابت 3.5 مللي أمبير. تشكل الإشارة حلقة من خلال مقاومة انتهائية قيمتها 100 أوم، ويتم توليد الجهد التفاضلي عبر هذه المقاومة أثناء تدفق التيار من خلالها. يضمن هذا التصميم سعة إشارة خرج ثابتة غير حساسة للتغيرات الطفيفة في الحمل، مع تجنب مشكلات مثل التجاوز والنقص الشائع في الأنظمة التقليدية التي تعتمد على الجهد الكهربي.

④ نطاق جهد الوضع المشترك: تتمتع أجهزة استقبال LVDS بنطاق جهد واسع للوضع المشترك، عادةً من 0.2 فولت إلى 2.2 فولت. ويمكنها تحمل فرق الجهد الأرضي (يشار إليه عادةً باسم "الارتداد الأرضي") يصل إلى ±1 فولت بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال. وهذا يعني أنه بينما يقوم جهاز الإرسال عادةً بإخراج إشارات بجهد الوضع المشترك 1.2 فولت، يمكن لجهاز الاستقبال اكتشاف الإشارات بدقة ضمن نطاق الجهد العريض هذا.

⑤ مقاومة الإنهاء: يتطلب المعيار توصيل مقاومة الإنهاء بنسبة 100 Ω ±10% على التوازي عند "طرف المستقبل" لإشارة LVDS (عادةً ما يكون المقاوم عالي الدقة مثبتًا على السطح)، ويجب وضع المقاوم في أقرب مكان ممكن من أطراف المستقبل. والغرض من ذلك هو "امتصاص" طاقة الإشارة في نهاية خط النقل ومنع انعكاسات الإشارة.

⑥ معدل البيانات: يدعم LVDS نقل البيانات عالي السرعة، بمعدلات نموذجية تتراوح من 155 ميجابت في الثانية إلى 3.125 جيجابت في الثانية، بل وأعلى في بعض التطبيقات.

⑦ اتصال نصف مزدوج: من منظور بنية نقل LVDS، يمكن لزوج واحد من خطوط الإشارة التفاضلية نقل البيانات في اتجاه واحد فقط، مما يعني أن LVDS هي بطبيعتها واجهة اتصال بسيطة. ومع ذلك، تستخدم الواجهات الشائعة مثل USB أيضًا زوجًا واحدًا فقط من الخطوط التفاضلية ولكنها قادرة على الاتصال ثنائي الاتجاه. وذلك لأن أنظمة LVDS غالبًا ما تستخدم مجموعتين من أجهزة الإرسال والاستقبال مجتمعة معًا، كما هو موضح في الشكل. ولذلك، فإن LVDS هي في الأساس تقنية اتصالات أحادية الاتجاه.

⑧ الواجهة المادية: يتم إرسال إشارات LVDS باستخدام سلكين ملتويين متوازنين، حيث يحمل زوج واحد الإشارة الإيجابية ويحمل الزوج الآخر الإشارة التكميلية (السالبة).

⑨ مسافة الإرسال: يمكن لإشارات LVDS تحقيق مسافات إرسال تزيد عن 15 مترًا. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى طريقة النقل التفاضلي، التي تلغي بشكل فعال التداخل الكهرومغناطيسي بين خطوط الإشارة وتمنع التداخل.

⑩ توسيع متعدد القنوات: يمكن لـ LVDS توسيع النطاق الترددي بسهولة من خلال تصميم "أزواج تفاضلية متوازية متعددة" (على سبيل المثال، 4 أزواج، 8 أزواج). على سبيل المثال، يمكن لـ 8 أزواج تفاضلية تحقيق معدل بيانات إجمالي يتجاوز 12 جيجابت في الثانية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات نقل بيانات الفيديو عالية الدقة.

⑪ استهلاك منخفض للطاقة: يظل استهلاك الطاقة لـ LVDS ثابتًا تقريبًا بغض النظر عن معدل البيانات، لأن تأرجح الإشارة ثابت (350 مللي فولت) وتيار المحرك ثابت (3.5 مللي أمبير). سواء كان معدل البيانات 100 ميجابت في الثانية أو 1 جيجابت في الثانية، يظل استهلاك الطاقة الديناميكي لكل زوج تفاضلي ثابتًا عند 1.225 ميجاوات تقريبًا.

5. تطبيقات LVDS

① واجهات العرض: LVDS هي واجهة قياسية لأجهزة الكمبيوتر وشاشات LCD وأجهزة التلفزيون وأجهزة العرض الأخرى، وهي قادرة على توفير نقل إشارة فيديو عالي السرعة وعالي الجودة.

② نقل الإشارات الصوتية: يدعم LVDS الإرسال عالي السرعة لكل من إشارات الصوت والفيديو، مما يجعله مستخدمًا على نطاق واسع في تطبيقات مثل أنظمة المسرح المنزلي، وأجهزة الصوت الرقمية، والكاميرات.

③ الأتمتة الصناعية: يمكن استخدام LVDS لنقل البيانات بسرعة عالية ونقل إشارات التحكم في أنظمة الأتمتة الصناعية.

④ إلكترونيات السيارات: ينطبق LVDS في مجال إلكترونيات السيارات - على سبيل المثال، التحكم في سطوع وتباين شاشات العرض على مقاعد السيارة، بالإضافة إلى استخدامه في أنظمة الصوت والفيديو داخل السيارة.

6. طرق إنهاء LVDS: في التطبيقات العملية، تستخدم LVDS طرق إنهاء مختلفة اعتمادًا على عوامل مثل جهد الوضع المشترك وتأرجح الإشارة، وفي بعض الأحيان يجب تكييفها مع معايير منطقية مختلفة. فيما يلي تكوينات LVDS وطرق الإنهاء شائعة الاستخدام.

① اقتران التيار المستمر  

● يتضمن اقتران التيار المستمر وضع مقاومة انتهاء تفاضلية تبلغ 100 أوم عبر خطوط الإشارة التفاضلية عند طرف جهاز الاستقبال. يجب وضع مقاوم الإنهاء هذا في أقرب وقت ممكن من جهاز الاستقبال لتوليد الجهد التفاضلي عند الإدخال ولمطابقة الممانعة المميزة لخط النقل، وبالتالي تقليل انعكاسات الإشارة.

● هناك طريقة أخرى للإنهاء تستخدم مقاومتين بقدرة 50 أوم للإنهاء المنفصل، مع مكثف متصل بالأرض عند نقطة المنتصف. يساعد هذا المكثف على تصفية ضوضاء الوضع الشائع ويمنع إزاحة التيار المستمر التي قد تنشأ من عدم التطابق في الآثار التفاضلية أو الاختلالات في خرج برنامج التشغيل. تعتمد قيمة المكثف على تردد التشغيل؛ يعد المكثف الذي تبلغ سعته 0.1 ميكروفاراد كافيًا بشكل عام لمعظم معدلات البيانات عالية السرعة (1 ميجابت في الثانية وما فوق).

② اقتران التيار المتردد: تقوم شبكة المقاوم عند مدخل جهاز الاستقبال باستعادة جهد الوضع المشترك للتيار المستمر إلى 1.2 فولت (بافتراض أن Vcc = 3.3 فولت)، وهي النقطة الوسطى لنطاق جهد الوضع المشترك لمدخل جهاز استقبال LVDS القياسي. بالإضافة إلى ذلك، توفر شبكة المقاوم نهاية 100 أوم عند دخل جهاز الاستقبال. إذا كانت مقاومات الإنهاء مدمجة بالفعل داخل جهاز استقبال LVDS، فيجب اختيار قيم مقاومة خارجية أكبر لتجنب تغيير ممانعة الإنهاء الفعالة عند دخل جهاز الاستقبال. قيمة المقاوم القابل للسحب الموصى بها هي 10 كيلو أوم وقيمة المقاوم القابل للسحب هي 5.7 كيلو أوم. تعتمد قيمة مكثف اقتران التيار المتردد على تردد التشغيل، حيث أنه يحجب مكون التيار المستمر؛ يعد المكثف الذي تبلغ سعته 0.1 ميكروفاراد كافيًا بشكل عام لمعدلات البيانات العالية (1 ميجابت في الثانية وما فوق).

يوضح الشكل الأيسر تكوينًا آخر للدائرة، بالإضافة إلى شبكة مقاومة الانحياز، يستخدم الإنهاء المنفصل مع مكثف متصل بالأرض عند نقطة المنتصف. يساعد هذا المكثف على تصفية ضوضاء الوضع الشائع ويقلل من إزاحة خط النقل. بالمقارنة مع الدائرة الموصوفة أعلاه، يتميز هذا التكوين باستهلاك أقل للطاقة.