1.LVDS (segnalazione differenziale a bassa tensione) è uno standard elettrico per la trasmissione del segnale introdotto nel 1994 dalla National Semiconductor Corporation degli Stati Uniti. È stato in gran parte sviluppato per sostituire la logica accoppiata all'emettitore (ECL) o la logica accoppiata all'emettitore positivo (PECL). LVDS è una tecnologia di segnalazione differenziale di piccola ampiezza che trasmette dati su una coppia di tracce PCB differenziali o cavi bilanciati utilizzando segnali di ampiezza molto bassa (circa 350 mV). LVDS supporta connessioni punto-punto o punto-multipunto e presenta un basso consumo energetico, un basso tasso di errore di bit, una bassa diafonia e una bassa radiazione elettromagnetica. La sua esclusiva segnalazione a bassa ampiezza e la modalità di azionamento a corrente costante generano rumore minimo e consumano pochissima energia, rendendolo ampiamente utilizzato in applicazioni di comunicazione dati seriale ad alta velocità come backplane, distribuzione del clock, trasmissione dati scheda-scheda e collegamenti dati basati su cavo.

2. L'architettura di trasmissione LVDS segue lo standard TIA/EIA-644 ed è progettata specificamente per il livello fisico, il che significa che si concentra sulla trasmissione del segnale a livello elettrico senza coinvolgere i protocolli di trasmissione dei dati. Un sistema di trasmissione del segnale LVDS è tipicamente costituito da tre componenti principali: un trasmettitore differenziale, un ricevitore differenziale e un'interconnessione differenziale.

● Trasmettitore differenziale: converte i segnali TTL single-ended in segnali LVDS bilanciati per la trasmissione differenziale.  

● Ricevitore differenziale: riconverte i segnali LVDS bilanciati ricevuti in segnali TTL a terminazione singola.  

● Interconnessione differenziale: include mezzi di connessione (come cavi o tracce PCB) e un resistore di terminazione. Secondo le specifiche IEEE, la resistenza di terminazione è tipicamente di 100 Ω.

3. Principio di funzionamento LVDS: il driver LVDS è costituito da una sorgente di corrente costante che pilota la linea differenziale, generalmente impostata su 3,5 mA. Il ricevitore LVDS ha un'impedenza di ingresso molto elevata (non assorbe quasi corrente), quindi la maggior parte della corrente proveniente dal driver scorre attraverso il resistore di terminazione da 100 Ω, generando una tensione di circa 350 mV attraverso i terminali di ingresso del ricevitore. Quando il driver cambia stato, la direzione della corrente attraverso il resistore si inverte, producendo i corrispondenti stati logici "1" e "0" logico.

Logica di uscita "1": lo stadio di uscita LVDS utilizza una sorgente di corrente da 3,5 mA ed è costituito da due coppie di MOSFET (quattro transistor) che formano una coppia di uscite differenziali. Quando A+ è acceso e B- è spento, la corrente proveniente dalla sorgente di corrente costante scorre attraverso Q2 (il MOSFET A+), pilota l'uscita, passa attraverso il resistore di terminazione da 100 Ω, ritorna tramite Q3 (il MOSFET A+) al lato driver ed è collegata a GND. Questo percorso di corrente genera una tensione di uscita attraverso il resistore di terminazione da 100 Ω di: 3,5 mA × 100 Ω = 350 mV, che rappresenta il "1" logico. La direzione della corrente è come mostrato nella figura seguente:

Logica di uscita "0": quando B− è acceso e A+ è spento, la corrente di pilotaggio da 3,5 mA esce da Q1 (il B− MOSFET), passa attraverso il resistore di terminazione da 100 Ω, ritorna tramite Q4 (il B− MOSFET) nel driver a GND. Questo percorso di corrente genera anche una tensione attraverso il resistore di terminazione da 100 Ω, ma la direzione della corrente è opposta a quella dello stato "A+ on, B− off". Di conseguenza, viene prodotta una tensione inversa: −3,5 mA × 100 Ω = −350 mV, che rappresenta lo "0" logico. La direzione corrente è quella mostrata nella figura seguente:

4. Caratteristiche LVDS:

① Trasmissione differenziale: i segnali LVDS utilizzano un metodo di trasmissione differenziale, il che significa che ciascuna linea di segnale ha una linea di segnale complementare (invertita) corrispondente. La differenza di tensione tra la linea del segnale e la sua linea complementare è simmetrica nei livelli positivo e negativo. Questo approccio differenziale aiuta a ridurre le interferenze e a sopprimere la diafonia, migliorando così la qualità e la stabilità del segnale.

② Caratteristiche di tensione: le due linee di segnale differenziale LVDS, positiva (A+) e negativa (B−), hanno una tensione di polarizzazione di modo comune di 1,2 V e un'oscillazione di tensione differenziale di 350 mV. Se misuriamo le forme d'onda del segnale utilizzando un oscilloscopio e calcoliamo la differenza tra le due tensioni: (A+) − (B−), l'oscillazione differenziale risultante sarà −350 mV per "0" logico e +350 mV per "1" logico. La forma d'onda è mostrata nella figura seguente:

③ Azionamento a corrente costante: LVDS utilizza un'architettura di azionamento con sorgente di corrente costante da 3,5 mA. Il segnale forma un anello attraverso un resistore di terminazione da 100 Ω e la tensione differenziale viene generata attraverso questo resistore mentre la corrente lo attraversa. Questo design garantisce un'ampiezza del segnale di uscita stabile e insensibile a piccole variazioni di carico, evitando al tempo stesso problemi come il superamento e il sottoelongazione comunemente riscontrati nei tradizionali sistemi a tensione.

④ Intervallo di tensione di modo comune: i ricevitori LVDS hanno un ampio intervallo di tensione di modo comune in ingresso, tipicamente da 0,2 V a 2,2 V. Possono tollerare una differenza di potenziale di terra (comunemente definita "rimbalzo di terra") fino a ±1 V tra il trasmettitore e il ricevitore. Ciò significa che mentre il trasmettitore tipicamente emette segnali con una tensione di modo comune di 1,2 V, il ricevitore può rilevare con precisione segnali all'interno di questo ampio intervallo di tensione.

⑤ Resistore di terminazione: lo standard impone che un resistore di terminazione da 100 Ω ±10% sia collegato in parallelo all'estremità del ricevitore del segnale LVDS (tipicamente un resistore a montaggio superficiale ad alta precisione) e il resistore deve essere posizionato il più vicino possibile ai pin del ricevitore. Lo scopo è "assorbire" l'energia del segnale all'estremità della linea di trasmissione e prevenire riflessioni del segnale.

⑥ Velocità dati: LVDS supporta la trasmissione dati ad alta velocità, con velocità tipiche che vanno da 155 Mbps a 3.125 Gbps e anche superiori in alcune applicazioni.

⑦ Comunicazione half-duplex: dal punto di vista della struttura di trasmissione LVDS, una singola coppia di linee di segnale differenziale può trasmettere dati solo in una direzione, il che significa che LVDS è intrinsecamente un'interfaccia di comunicazione simplex. Tuttavia, anche le interfacce comuni come USB utilizzano solo una coppia di linee differenziali ma sono in grado di comunicare bidirezionalmente. Questo perché i sistemi LVDS utilizzano spesso due set di trasmettitori e ricevitori combinati insieme, come mostrato nella figura. Pertanto, LVDS è essenzialmente una tecnologia di comunicazione half-duplex.

⑧ Interfaccia fisica: i segnali LVDS vengono trasmessi utilizzando due cavi a doppino intrecciato bilanciati, con una coppia che trasporta il segnale positivo e l'altra coppia che trasporta il segnale complementare (negativo).

⑨ Distanza di trasmissione: i segnali LVDS possono raggiungere distanze di trasmissione superiori a 15 metri. Ciò è dovuto principalmente al metodo di trasmissione differenziale, che annulla efficacemente le interferenze elettromagnetiche tra le linee del segnale e sopprime la diafonia.

⑩ Espansione multicanale: LVDS può facilmente scalare la larghezza di banda attraverso un design a "coppie differenziali parallele multiple" (ad esempio, 4 coppie, 8 coppie). Ad esempio, 8 coppie differenziali possono raggiungere una velocità dati totale superiore a 12 Gbps, rendendolo adatto per applicazioni di trasmissione dati video ad alta risoluzione.

⑪ Basso consumo energetico: il consumo energetico di LVDS rimane quasi costante indipendentemente dalla velocità dei dati, poiché l'oscillazione del segnale è fissa (350 mV) e la corrente di comando è costante (3,5 mA). Sia che la velocità dati sia di 100 Mbps o 1 Gbps, il consumo energetico dinamico per coppia differenziale rimane stabile a circa 1.225 mW.

5. Applicazioni LVDS

① Interfacce di visualizzazione: LVDS è un'interfaccia standard per computer, monitor LCD, televisori e altri dispositivi di visualizzazione, in grado di fornire una trasmissione del segnale video ad alta velocità e di alta qualità.

② Trasmissione del segnale audio: LVDS supporta la trasmissione ad alta velocità di segnali audio e video, rendendolo ampiamente utilizzato in applicazioni come sistemi home theater, apparecchiature audio digitali e fotocamere.

③ Automazione industriale: LVDS può essere utilizzato per la trasmissione di dati ad alta velocità e la trasmissione di segnali di controllo nei sistemi di automazione industriale.

④ Elettronica automobilistica: LVDS è applicabile nel campo dell'elettronica automobilistica, ad esempio per controllare la luminosità e il contrasto dei display sui sedili delle auto, nonché per essere utilizzato nei sistemi audio e video a bordo dei veicoli.

6. Metodi di terminazione LVDS: nelle applicazioni pratiche, LVDS impiega diversi metodi di terminazione a seconda di fattori quali la tensione di modo comune e l'oscillazione del segnale e talvolta deve essere adattato a diversi standard logici. Di seguito sono riportate le configurazioni LVDS e i metodi di terminazione comunemente utilizzati.

① Accoppiamento CC  

● L'accoppiamento CC prevede il posizionamento di un resistore di terminazione differenziale da 100 Ω attraverso le linee del segnale differenziale all'estremità del ricevitore. Questo resistore di terminazione dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile al ricevitore per generare la tensione differenziale in ingresso e per adattarsi all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione, minimizzando così le riflessioni del segnale.

● Un altro metodo di terminazione utilizza due resistori da 50 Ω per la terminazione divisa, con un condensatore collegato a terra nel punto centrale. Questo condensatore aiuta a filtrare il rumore di modo comune e sopprime l'offset CC che potrebbe derivare da disallineamenti nelle tracce differenziali o da squilibri nell'uscita del driver. Il valore del condensatore dipende dalla frequenza operativa; un condensatore da 0,1 µF è generalmente sufficiente per la maggior parte delle velocità di trasmissione dati ad alta velocità (1 Mbps e oltre).

② Accoppiamento CA: la rete di resistori all'ingresso del ricevitore ripristina la tensione di modo comune CC a 1,2 V (assumendo Vcc = 3,3 V), che è il punto medio dell'intervallo di tensione di modo comune di ingresso del ricevitore LVDS standard. Inoltre, la rete di resistori fornisce una terminazione da 100 Ω all'ingresso del ricevitore. Se i resistori di terminazione sono già integrati nel ricevitore LVDS, è necessario selezionare valori di resistore esterni più grandi per evitare di alterare l'impedenza di terminazione effettiva all'ingresso del ricevitore. Un valore di resistenza pull-up consigliato è 10 kΩ e un valore di resistenza pull-down è 5,7 kΩ. Il valore del condensatore di accoppiamento AC dipende dalla frequenza operativa, poiché blocca la componente DC; un condensatore da 0,1 µF è generalmente sufficiente per velocità di trasmissione dati elevate (1 Mbps e oltre).

La figura a sinistra mostra un'altra configurazione circuitale che, oltre alla rete di resistori di polarizzazione, impiega una terminazione divisa con un condensatore collegato a terra nel punto centrale. Questo condensatore aiuta a filtrare il rumore di modo comune e riduce l'offset della linea di trasmissione. Rispetto al circuito sopra descritto, questa configurazione presenta il vantaggio di un minor consumo energetico.