1.LVDS (Low Voltage Differential Signaling) ist ein elektrischer Standard für die Signalübertragung, der 1994 von der National Semiconductor Corporation in den Vereinigten Staaten eingeführt wurde. Es wurde größtenteils entwickelt, um Emitter-Coupled Logic (ECL) oder Positive Emitter-Coupled Logic (PECL) zu ersetzen. LVDS ist eine Differenzsignaltechnologie mit kleiner Amplitude, die Daten über ein Paar differenzieller PCB-Leiterbahnen oder symmetrischer Kabel unter Verwendung von Signalen mit sehr niedriger Amplitude (ca. 350 mV) überträgt. LVDS unterstützt Punkt-zu-Punkt- oder Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen und zeichnet sich durch geringen Stromverbrauch, niedrige Bitfehlerrate, geringes Übersprechen und geringe elektromagnetische Strahlung aus. Seine einzigartige Signalisierung mit niedriger Amplitude und der Konstantstrom-Antriebsmodus erzeugen minimales Rauschen und verbrauchen sehr wenig Strom, wodurch es häufig in Hochgeschwindigkeitsanwendungen für die serielle Datenkommunikation wie Backplanes, Taktverteilung, Board-to-Board-Datenübertragung und kabelbasierten Datenverbindungen eingesetzt wird.

2. Die LVDS-Übertragungsarchitektur folgt dem TIA/EIA-644-Standard und ist speziell für die physikalische Schicht konzipiert, d. h. sie konzentriert sich auf die Signalübertragung auf elektrischer Ebene ohne Einbindung von Datenübertragungsprotokollen. Ein LVDS-Signalübertragungssystem besteht typischerweise aus drei Hauptkomponenten: einem Differenzsender, einem Differenzempfänger und einer Differenzverbindung.

● Differenzsender: Wandelt Single-Ended-TTL-Signale in symmetrische LVDS-Signale für die Differenzübertragung um.  

● Differentialempfänger: Wandelt empfangene symmetrische LVDS-Signale zurück in Single-Ended-TTL-Signale.  

● Differentialverbindung: Beinhaltet Verbindungsmedien (z. B. Kabel oder Leiterplattenbahnen) und einen Abschlusswiderstand. Gemäß den IEEE-Spezifikationen beträgt der Abschlusswiderstand typischerweise 100 Ω.

3. LVDS-Funktionsprinzip: Der LVDS-Treiber besteht aus einer Konstantstromquelle, die die Differenzleitung antreibt und normalerweise auf 3,5 mA eingestellt ist. Der LVDS-Empfänger hat eine sehr hohe Eingangsimpedanz (er zieht fast keinen Strom), sodass der größte Teil des Stroms vom Treiber durch den 100-Ω-Abschlusswiderstand fließt und an den Eingangsanschlüssen des Empfängers eine Spannung von etwa 350 mV erzeugt. Wenn der Treiber den Zustand wechselt, kehrt sich die Richtung des Stroms durch den Widerstand um, wodurch die entsprechenden logischen Zustände „1“ und „0“ erzeugt werden.

Ausgangslogik „1“: Die LVDS-Ausgangsstufe verwendet eine 3,5-mA-Stromquelle und besteht aus zwei MOSFET-Paaren (vier Transistoren), die ein Differenzausgangspaar bilden. Wenn A+ eingeschaltet und B- ausgeschaltet ist, fließt der Strom von der Konstantstromquelle durch Q2 (den A+ MOSFET), treibt den Ausgang an, durchläuft den 100-Ω-Abschlusswiderstand, kehrt über Q3 (den A+ MOSFET) zur Treiberseite zurück und ist mit GND verbunden. Dieser Strompfad erzeugt am 100-Ω-Abschlusswiderstand eine Ausgangsspannung von: 3,5 mA × 100 Ω = 350 mV, was der logischen „1“ entspricht. Die Richtung des Stroms ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Ausgangslogik „0“: Wenn B− eingeschaltet und A+ ausgeschaltet ist, fließt der 3,5-mA-Treiberstrom aus Q1 (dem B−-MOSFET), durch den 100-Ω-Abschlusswiderstand und kehrt über Q4 (dem B−-MOSFET) im Treiber zu GND zurück. Dieser Strompfad erzeugt auch eine Spannung am 100-Ω-Abschlusswiderstand, die Stromrichtung ist jedoch entgegengesetzt zu der des Zustands „A+ an, B− aus“. Dadurch entsteht eine Sperrspannung: −3,5 mA × 100 Ω = −350 mV, was der logischen „0“ entspricht. Die aktuelle Richtung ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

4. LVDS-Eigenschaften:

① Differenzielle Übertragung: LVDS-Signale verwenden eine differenzielle Übertragungsmethode, was bedeutet, dass jede Signalleitung eine entsprechende komplementäre (invertierte) Signalleitung hat. Die Spannungsdifferenz zwischen der Signalleitung und ihrer Komplementärleitung ist im positiven und negativen Pegel symmetrisch. Dieser differenzielle Ansatz trägt dazu bei, Interferenzen zu reduzieren und Übersprechen zu unterdrücken, wodurch die Signalqualität und -stabilität verbessert wird.

② Spannungseigenschaften: Die beiden LVDS-Differenzsignalleitungen – positiv (A+) und negativ (B−) – haben eine Gleichtaktvorspannung von 1,2 V und einen Differenzspannungshub von 350 mV. Wenn wir die Signalwellenformen mit einem Oszilloskop messen und die Differenz zwischen den beiden Spannungen berechnen: (A+) − (B−), beträgt der resultierende Differenzhub −350 mV für logisch „0“ und +350 mV für logisch „1“. Die Wellenform ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

③ Konstantstromantrieb: LVDS verwendet eine 3,5-mA-Konstantstromquellen-Antriebsarchitektur. Das Signal bildet eine Schleife durch einen 100-Ω-Abschlusswiderstand, und die Differenzspannung wird an diesem Widerstand erzeugt, wenn der Strom durch ihn fließt. Dieses Design gewährleistet eine stabile Ausgangssignalamplitude, die unempfindlich gegenüber geringfügigen Lastschwankungen ist, und vermeidet gleichzeitig Probleme wie Überschwingen und Unterschwingen, die häufig bei herkömmlichen spannungsgesteuerten Systemen auftreten.

④ Gleichtaktspannungsbereich: LVDS-Empfänger verfügen über einen großen Gleichtaktspannungsbereich am Eingang, typischerweise von 0,2 V bis 2,2 V. Sie können eine Erdpotentialdifferenz (allgemein als „Ground Bounce“ bezeichnet) von bis zu ±1 V zwischen Sender und Empfänger tolerieren. Das bedeutet, dass der Sender typischerweise Signale mit einer Gleichtaktspannung von 1,2 V ausgibt, der Empfänger jedoch Signale innerhalb dieses weiten Spannungsbereichs genau erkennen kann.

⑤ Abschlusswiderstand: Der Standard schreibt vor, dass am „Empfängerende“ des LVDS-Signals ein 100 Ω ±10 % Abschlusswiderstand parallel angeschlossen werden muss (normalerweise ein hochpräziser oberflächenmontierter Widerstand), und der Widerstand sollte so nah wie möglich an den Empfängerstiften platziert werden. Der Zweck besteht darin, die Signalenergie am Ende der Übertragungsleitung zu „absorbieren“ und Signalreflexionen zu verhindern.

⑥ Datenrate: LVDS unterstützt Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit typischen Raten zwischen 155 Mbit/s und 3,125 Gbit/s und in einigen Anwendungen sogar noch höher.

⑦ Halbduplex-Kommunikation: Aus Sicht der LVDS-Übertragungsstruktur kann ein einzelnes Paar differenzieller Signalleitungen Daten nur in eine Richtung übertragen, was bedeutet, dass LVDS von Natur aus eine Simplex-Kommunikationsschnittstelle ist. Allerdings nutzen gängige Schnittstellen wie USB ebenfalls nur ein Differenzleitungspaar, sind aber zur bidirektionalen Kommunikation fähig. Dies liegt daran, dass LVDS-Systeme häufig zwei kombinierte Sätze von Sendern und Empfängern verwenden, wie in der Abbildung dargestellt. Daher handelt es sich bei LVDS im Wesentlichen um eine Halbduplex-Kommunikationstechnologie.

⑧ Physikalische Schnittstelle: LVDS-Signale werden über zwei symmetrische Twisted-Pair-Drähte übertragen, wobei ein Paar das positive Signal und das andere Paar das komplementäre (negative) Signal überträgt.

⑨ Übertragungsentfernung: LVDS-Signale können Übertragungsentfernungen von über 15 Metern erreichen. Dies ist vor allem auf das differenzielle Übertragungsverfahren zurückzuführen, das elektromagnetische Störungen zwischen den Signalleitungen effektiv aufhebt und Übersprechen unterdrückt.

⑩ Mehrkanalerweiterung: LVDS kann die Bandbreite einfach durch ein „mehrere parallele Differentialpaare“-Design skalieren (z. B. 4 Paare, 8 Paare). Mit 8 Differenzialpaaren kann beispielsweise eine Gesamtdatenrate von mehr als 12 Gbit/s erreicht werden, wodurch es für hochauflösende Videodatenübertragungsanwendungen geeignet ist.

⑪ Geringer Stromverbrauch: Der Stromverbrauch von LVDS bleibt unabhängig von der Datenrate nahezu konstant, da der Signalhub fest ist (350 mV) und der Antriebsstrom konstant ist (3,5 mA). Unabhängig davon, ob die Datenrate 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s beträgt, bleibt der dynamische Stromverbrauch pro Differentialpaar stabil bei etwa 1,225 mW.

5. LVDS-Anwendungen

① Anzeigeschnittstellen: LVDS ist eine Standardschnittstelle für Computer, LCD-Monitore, Fernseher und andere Anzeigegeräte, die eine schnelle und qualitativ hochwertige Videosignalübertragung ermöglichen kann.

② Audiosignalübertragung: LVDS unterstützt die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Audio- und Videosignalen und wird daher häufig in Anwendungen wie Heimkinosystemen, digitalen Audiogeräten und Kameras eingesetzt.

③ Industrielle Automatisierung: LVDS kann für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und Steuersignalübertragung in industriellen Automatisierungssystemen verwendet werden.

④ Automobilelektronik: LVDS ist im Bereich der Automobilelektronik einsetzbar – beispielsweise zur Steuerung der Helligkeit und des Kontrasts von Displays auf Autositzen sowie zur Verwendung in Audio- und Videosystemen im Fahrzeug.

6. LVDS-Abschlussmethoden: In praktischen Anwendungen verwendet LVDS je nach Faktoren wie Gleichtaktspannung und Signalhub unterschiedliche Abschlussmethoden und muss manchmal an unterschiedliche Logikstandards angepasst werden. Nachfolgend sind die häufig verwendeten LVDS-Konfigurationen und Abschlussmethoden aufgeführt.

① DC-Kopplung  

● Bei der DC-Kopplung wird am Empfängerende ein 100-Ω-Differentialabschlusswiderstand über die Differenzsignalleitungen gelegt. Dieser Abschlusswiderstand sollte so nah wie möglich am Empfänger platziert werden, um die Differenzspannung am Eingang zu erzeugen und an den Wellenwiderstand der Übertragungsleitung anzupassen, wodurch Signalreflexionen minimiert werden.

● Eine andere Abschlussmethode verwendet zwei 50-Ω-Widerstände für den geteilten Abschluss, wobei in der Mitte ein Kondensator mit Masse verbunden ist. Dieser Kondensator hilft dabei, Gleichtaktrauschen herauszufiltern und DC-Offset zu unterdrücken, der durch Fehlanpassungen in den Differenzleiterbahnen oder Ungleichgewichte im Treiberausgang entstehen kann. Der Wert des Kondensators hängt von der Betriebsfrequenz ab; Ein 0,1-µF-Kondensator reicht im Allgemeinen für die meisten Hochgeschwindigkeitsdatenraten (1 Mbit/s und mehr) aus.

② AC-Kopplung: Das Widerstandsnetzwerk am Empfängereingang stellt die DC-Gleichtaktspannung auf 1,2 V wieder her (unter der Annahme von Vcc = 3,3 V), was dem Mittelpunkt des Eingangs-Gleichtaktspannungsbereichs des Standard-LVDS-Empfängers entspricht. Zusätzlich sorgt das Widerstandsnetzwerk für einen 100-Ω-Abschluss am Eingang des Empfängers. Wenn im LVDS-Empfänger bereits Abschlusswiderstände integriert sind, sollten größere externe Widerstandswerte gewählt werden, um eine Änderung der effektiven Abschlussimpedanz am Empfängereingang zu vermeiden. Ein empfohlener Pull-up-Widerstandswert beträgt 10 kΩ und ein Pull-down-Widerstandswert beträgt 5,7 kΩ. Der Wert des AC-Koppelkondensators hängt von der Betriebsfrequenz ab, da er den DC-Anteil blockiert; Für hohe Datenraten (1 Mbit/s und mehr) reicht im Allgemeinen ein 0,1 µF-Kondensator aus.

Die linke Abbildung zeigt eine andere Schaltungskonfiguration, die zusätzlich zum Vorspannungswiderstandsnetzwerk einen geteilten Abschluss mit einem Kondensator verwendet, der in der Mitte mit Masse verbunden ist. Dieser Kondensator hilft, Gleichtaktrauschen herauszufiltern und den Übertragungsleitungsoffset zu reduzieren. Gegenüber der oben beschriebenen Schaltung hat diese Konfiguration den Vorteil eines geringeren Stromverbrauchs.