1.LVDS (Low Voltage Differential Signaling) est une norme électrique pour la transmission de signaux introduite en 1994 par la National Semiconductor Corporation des États-Unis. Il a été largement développé pour remplacer la logique couplée à l'émetteur (ECL) ou la logique couplée à l'émetteur positif (PECL). LVDS est une technologie de signalisation différentielle de petite amplitude qui transmet des données sur une paire de traces différentielles de PCB ou de câbles équilibrés en utilisant des signaux de très faible amplitude (environ 350 mV). LVDS prend en charge les connexions point à point ou point à multipoint et présente une faible consommation d'énergie, un faible taux d'erreur binaire, une faible diaphonie et un faible rayonnement électromagnétique. Sa signalisation unique de faible amplitude et son mode de pilotage à courant constant génèrent un bruit minimal et consomment très peu d'énergie, ce qui le rend largement utilisé dans les applications de communication de données série à haut débit telles que les fonds de panier, la distribution d'horloge, la transmission de données carte à carte et les liaisons de données par câble.

2. L'architecture de transmission LVDS suit la norme TIA/EIA-644 et est conçue spécifiquement pour la couche physique, ce qui signifie qu'elle se concentre sur la transmission du signal au niveau électrique sans impliquer de protocoles de transmission de données. Un système de transmission de signaux LVDS se compose généralement de trois composants principaux : un émetteur différentiel, un récepteur différentiel et une interconnexion différentielle.

● Émetteur différentiel : convertit les signaux TTL asymétriques en signaux LVDS équilibrés pour une transmission différentielle.  

● Récepteur différentiel : convertit les signaux LVDS équilibrés reçus en signaux TTL asymétriques.  

● Interconnexion différentielle : comprend des supports de connexion (tels que des câbles ou des traces de PCB) et une résistance de terminaison. Selon les spécifications IEEE, la résistance de terminaison est généralement de 100 Ω.

3. Principe de fonctionnement du LVDS : Le pilote LVDS se compose d'une source de courant constant qui pilote la ligne différentielle, généralement réglée à 3,5 mA. Le récepteur LVDS a une impédance d'entrée très élevée (ne consommant presque aucun courant), de sorte que la majeure partie du courant provenant du pilote traverse la résistance de terminaison de 100 Ω, générant une tension d'environ 350 mV aux bornes d'entrée du récepteur. Lorsque le pilote change d'état, le sens du courant à travers la résistance s'inverse, produisant les états logiques « 1 » et « 0 » logiques correspondants.

Logique de sortie « 1 » : l'étage de sortie LVDS utilise une source de courant de 3,5 mA et se compose de deux paires de MOSFET (quatre transistors) formant une paire de sorties différentielles. Lorsque A+ est activé et B- est éteint, le courant de la source de courant constant traverse Q2 (le MOSFET A+), pilote la sortie, passe à travers la résistance de terminaison de 100 Ω, revient via Q3 (le MOSFET A+) vers le côté pilote et est connecté à GND. Ce chemin de courant génère une tension de sortie aux bornes de la résistance de terminaison de 100 Ω de : 3,5 mA × 100 Ω = 350 mV, représentant le « 1 » logique. La direction du courant est celle indiquée dans la figure ci-dessous :

Logique de sortie « 0 » : lorsque B− est activé et A+ est désactivé, le courant de commande de 3,5 mA sort de Q1 (le MOSFET B−), passe à travers la résistance de terminaison de 100 Ω, revient via Q4 (le MOSFET B−) dans le pilote vers GND. Ce chemin de courant génère également une tension aux bornes de la résistance de terminaison de 100 Ω, mais le sens du courant est opposé à celui de l'état « A+ activé, B− désactivé ». En conséquence, une tension inverse est produite : −3,5 mA × 100 Ω = −350 mV, représentant le "0" logique. La direction actuelle est celle indiquée dans la figure ci-dessous :

4. Caractéristiques LVDS :

① Transmission différentielle : les signaux LVDS utilisent une méthode de transmission différentielle, ce qui signifie que chaque ligne de signal a une ligne de signal complémentaire (inversée) correspondante. La différence de tension entre la ligne de signal et sa ligne complémentaire est symétrique en niveaux positifs et négatifs. Cette approche différentielle permet de réduire les interférences et de supprimer la diaphonie, améliorant ainsi la qualité et la stabilité du signal.

② Caractéristiques de tension : les deux lignes de signal différentiel LVDS — positive (A+) et négative (B−) — ont une tension de polarisation en mode commun de 1,2 V et une oscillation de tension différentielle de 350 mV. Si nous mesurons les formes d'onde du signal à l'aide d'un oscilloscope et calculons la différence entre les deux tensions : (A+) − (B−), l'oscillation différentielle résultante sera de −350 mV pour le "0" logique et de +350 mV pour le "1" logique. La forme d'onde est présentée dans la figure ci-dessous :

③ Entraînement à courant constant : LVDS utilise une architecture de pilotage de source à courant constant de 3,5 mA. Le signal forme une boucle à travers une résistance de terminaison de 100 Ω et la tension différentielle est générée aux bornes de cette résistance lorsque le courant la traverse. Cette conception garantit une amplitude de signal de sortie stable, insensible aux variations mineures de charge, tout en évitant les problèmes tels que les dépassements excessifs et inférieurs, couramment observés dans les systèmes traditionnels pilotés par tension.

④ Plage de tension en mode commun : les récepteurs LVDS ont une large plage de tension d'entrée en mode commun, généralement de 0,2 V à 2,2 V. Ils peuvent tolérer une différence de potentiel de terre (communément appelée « rebond de terre ») jusqu'à ± 1 V entre l'émetteur et le récepteur. Cela signifie que même si l'émetteur émet généralement des signaux avec une tension de mode commun de 1,2 V, le récepteur peut détecter avec précision les signaux dans cette large plage de tension.

⑤ Résistance de terminaison : la norme exige qu'une résistance de terminaison de 100 Ω ± 10 % soit connectée en parallèle à "l'extrémité du récepteur" du signal LVDS (généralement une résistance à montage en surface de haute précision), et la résistance doit être placée aussi près que possible des broches du récepteur. Le but est « d'absorber » l'énergie du signal à l'extrémité de la ligne de transmission et d'éviter les réflexions du signal.

⑥ Débit de données : LVDS prend en charge la transmission de données à haut débit, avec des débits typiques allant de 155 Mbps à 3,125 Gbps, et même plus dans certaines applications.

⑦ Communication semi-duplex : du point de vue de la structure de transmission LVDS, une seule paire de lignes de signaux différentielles ne peut transmettre des données que dans une seule direction, ce qui signifie que LVDS est intrinsèquement une interface de communication simplex. Cependant, les interfaces courantes telles que l'USB n'utilisent également qu'une seule paire de lignes différentielles mais sont capables d'établir une communication bidirectionnelle. En effet, les systèmes LVDS utilisent souvent deux ensembles d'émetteurs et de récepteurs combinés, comme le montre la figure. Par conséquent, LVDS est essentiellement une technologie de communication semi-duplex.

⑧ Interface physique : les signaux LVDS sont transmis à l'aide de deux fils à paire torsadée équilibrée, une paire transportant le signal positif et l'autre paire transportant le signal complémentaire (négatif).

⑨ Distance de transmission : les signaux LVDS peuvent atteindre des distances de transmission supérieures à 15 mètres. Cela est principalement dû à la méthode de transmission différentielle, qui annule efficacement les interférences électromagnétiques entre les lignes de signaux et supprime la diaphonie.

⑩ Extension multicanal : LVDS peut facilement faire évoluer la bande passante grâce à une conception « plusieurs paires différentielles parallèles » (par exemple, 4 paires, 8 paires). Par exemple, 8 paires différentielles peuvent atteindre un débit de données total supérieur à 12 Gbit/s, ce qui le rend adapté aux applications de transmission de données vidéo haute résolution.

⑪ Faible consommation d'énergie : la consommation d'énergie du LVDS reste presque constante quel que soit le débit de données, car l'oscillation du signal est fixe (350 mV) et le courant du variateur est constant (3,5 mA). Que le débit de données soit de 100 Mbps ou 1 Gbps, la consommation électrique dynamique par paire différentielle reste stable à environ 1,225 mW.

5. Applications LVDS

① Interfaces d'affichage : LVDS est une interface standard pour les ordinateurs, les moniteurs LCD, les téléviseurs et autres appareils d'affichage, capable de fournir une transmission de signal vidéo à grande vitesse et de haute qualité.

② Transmission du signal audio : LVDS prend en charge la transmission à grande vitesse des signaux audio et vidéo, ce qui le rend largement utilisé dans des applications telles que les systèmes de cinéma maison, les équipements audio numériques et les caméras.

③ Automatisation industrielle : LVDS peut être utilisé pour la transmission de données à grande vitesse et la transmission de signaux de commande dans les systèmes d'automatisation industrielle.

④ Électronique automobile : LVDS est applicable dans le domaine de l'électronique automobile, par exemple en contrôlant la luminosité et le contraste des écrans sur les sièges de voiture, ainsi qu'en étant utilisé dans les systèmes audio et vidéo embarqués.

6. Méthodes de terminaison LVDS : Dans les applications pratiques, LVDS utilise différentes méthodes de terminaison en fonction de facteurs tels que la tension de mode commun et l'oscillation du signal, et doit parfois être adapté à différentes normes logiques. Vous trouverez ci-dessous les configurations LVDS et les méthodes de terminaison couramment utilisées.

① Couplage CC  

● Le couplage CC implique de placer une résistance de terminaison différentielle de 100 Ω entre les lignes de signal différentiel à l'extrémité du récepteur. Cette résistance de terminaison doit être placée aussi près que possible du récepteur pour générer la tension différentielle à l'entrée et correspondre à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, minimisant ainsi les réflexions du signal.

● Une autre méthode de terminaison utilise deux résistances de 50 Ω pour une terminaison divisée, avec un condensateur connecté à la terre au point médian. Ce condensateur aide à filtrer le bruit de mode commun et supprime le décalage CC qui peut résulter de disparités dans les traces différentielles ou de déséquilibres dans la sortie du pilote. La valeur du condensateur dépend de la fréquence de fonctionnement ; un condensateur de 0,1 µF est généralement suffisant pour la plupart des débits de données à haut débit (1 Mbps et plus).

② Couplage CA : le réseau de résistances à l'entrée du récepteur rétablit la tension de mode commun CC à 1,2 V (en supposant que Vcc = 3,3 V), ce qui correspond au point médian de la plage de tension de mode commun d'entrée du récepteur LVDS standard. De plus, le réseau de résistances fournit une terminaison de 100 Ω à l'entrée du récepteur. Si des résistances de terminaison sont déjà intégrées dans le récepteur LVDS, des valeurs de résistance externes plus grandes doivent être sélectionnées pour éviter de modifier l'impédance de terminaison effective à l'entrée du récepteur. Une valeur de résistance de rappel recommandée est de 10 kΩ et une valeur de résistance de rappel est de 5,7 kΩ. La valeur du condensateur de couplage AC dépend de la fréquence de fonctionnement, car il bloque la composante DC ; un condensateur de 0,1 µF est généralement suffisant pour les débits de données élevés (1 Mbps et plus).

La figure de gauche montre une autre configuration de circuit qui, en plus du réseau de résistances de polarisation, utilise une terminaison divisée avec un condensateur connecté à la terre au point médian. Ce condensateur aide à filtrer le bruit de mode commun et réduit le décalage de la ligne de transmission. Par rapport au circuit décrit ci-dessus, cette configuration présente l’avantage d’une consommation électrique moindre.