1.LVDS (Sinalização Diferencial de Baixa Tensão) é um padrão elétrico para transmissão de sinal introduzido em 1994 pela National Semiconductor Corporation dos Estados Unidos. Foi amplamente desenvolvido para substituir a Lógica Acoplada ao Emissor (ECL) ou a Lógica Acoplada ao Emissor Positivo (PECL). LVDS é uma tecnologia de sinalização diferencial de pequena amplitude que transmite dados através de um par de traços diferenciais de PCB ou cabos balanceados usando sinais de amplitude muito baixa (aproximadamente 350 mV). O LVDS suporta conexões ponto a ponto ou ponto a multiponto e apresenta baixo consumo de energia, baixa taxa de erros de bits, baixa diafonia e baixa radiação eletromagnética. Sua sinalização exclusiva de baixa amplitude e modo de acionamento de corrente constante geram ruído mínimo e consomem muito pouca energia, tornando-o amplamente utilizado em aplicações de comunicação de dados seriais de alta velocidade, como backplanes, distribuição de relógio, transmissão de dados placa a placa e links de dados baseados em cabo.

2. A arquitetura de transmissão LVDS segue o padrão TIA/EIA-644 e é projetada especificamente para a camada física, ou seja, concentra-se na transmissão de sinais em nível elétrico sem envolver protocolos de transmissão de dados. Um sistema de transmissão de sinal LVDS normalmente consiste em três componentes principais: um transmissor diferencial, um receptor diferencial e uma interconexão diferencial.

● Transmissor Diferencial: Converte sinais TTL de terminação única em sinais LVDS balanceados para transmissão diferencial.  

● Receptor Diferencial: Converte sinais LVDS balanceados recebidos de volta em sinais TTL de terminação única.  

● Interconexão Diferencial: Inclui mídia de conexão (como cabos ou traços de PCB) e um resistor de terminação. De acordo com as especificações IEEE, o resistor de terminação é normalmente de 100 Ω.

3. Princípio de funcionamento do LVDS: O driver LVDS consiste em uma fonte de corrente constante que aciona a linha diferencial, normalmente definida em 3,5 mA. O receptor LVDS tem impedância de entrada muito alta (quase não consome corrente), então a maior parte da corrente do driver flui através do resistor de terminação de 100 Ω, gerando uma tensão de aproximadamente 350 mV nos terminais de entrada do receptor. Quando o driver muda de estado, a direção da corrente através do resistor é invertida, produzindo os estados lógicos "1" e "0" lógicos correspondentes.

Lógica de Saída "1": O estágio de saída LVDS emprega uma fonte de corrente de 3,5 mA e consiste em dois pares de MOSFETs (quatro transistores) formando um par de saída diferencial. Quando A+ é ligado e B- é desligado, a corrente da fonte de corrente constante flui através de Q2 (o MOSFET A+), aciona a saída, passa pelo resistor de terminação de 100 Ω, retorna via Q3 (o MOSFET A+) para o lado do driver e é conectado ao GND. Este caminho de corrente gera uma tensão de saída através do resistor de terminação de 100 Ω de: 3,5 mA × 100 Ω = 350 mV, representando o "1" lógico. O sentido da corrente é mostrado na figura abaixo:

Lógica de saída "0": Quando B− é ligado e A+ é desligado, a corrente do inversor de 3,5 mA flui de Q1 (o B− MOSFET), passa pelo resistor de terminação de 100 Ω e retorna via Q4 (o B− MOSFET) no driver para GND. Este caminho de corrente também gera uma tensão através do resistor de terminação de 100 Ω, mas a direção da corrente é oposta àquela do estado "A+ ligado, B- desligado". Como resultado, uma tensão reversa é produzida: −3,5 mA × 100 Ω = −350 mV, representando o “0” lógico. A direção da corrente é mostrada na figura abaixo:

4. Características do LVDS:

① Transmissão Diferencial: Os sinais LVDS usam um método de transmissão diferencial, o que significa que cada linha de sinal possui uma linha de sinal complementar (invertida) correspondente. A diferença de tensão entre a linha de sinal e sua linha complementar é simétrica em níveis positivos e negativos. Esta abordagem diferencial ajuda a reduzir a interferência e a suprimir a diafonia, melhorando assim a qualidade e a estabilidade do sinal.

② Características de tensão: As duas linhas de sinal diferencial LVDS – positiva (A+) e negativa (B−) – têm uma tensão de polarização de modo comum de 1,2 V e uma oscilação de tensão diferencial de 350 mV. Se medirmos as formas de onda do sinal usando um osciloscópio e calcularmos a diferença entre as duas tensões: (A+) − (B−), a oscilação diferencial resultante será −350 mV para lógica "0" e +350 mV para lógica "1". A forma de onda é mostrada na figura abaixo:

③ Acionamento de corrente constante: O LVDS emprega uma arquitetura de acionamento de fonte de corrente constante de 3,5 mA. O sinal forma um loop através de um resistor de terminação de 100 Ω, e a tensão diferencial é gerada através deste resistor à medida que a corrente flui através dele. Este design garante uma amplitude de sinal de saída estável que é insensível a pequenas variações de carga, ao mesmo tempo que evita problemas como overshoot e undershoot comumente vistos em sistemas tradicionais acionados por tensão.

④ Faixa de tensão de modo comum: os receptores LVDS têm uma ampla faixa de tensão de modo comum de entrada, normalmente de 0,2 V a 2,2 V. Eles podem tolerar uma diferença de potencial de terra (comumente chamada de "ressalto de terra") de até ±1 V entre o transmissor e o receptor. Isso significa que, embora o transmissor normalmente emita sinais com uma tensão de modo comum de 1,2 V, o receptor pode detectar com precisão sinais dentro desta ampla faixa de tensão.

⑤ Resistor de terminação: O padrão exige que um resistor de terminação de 100 Ω ±10% seja conectado em paralelo na "extremidade do receptor" do sinal LVDS (normalmente um resistor de montagem em superfície de alta precisão), e o resistor deve ser colocado o mais próximo possível dos pinos do receptor. O objetivo é “absorver” a energia do sinal no final da linha de transmissão e evitar reflexões do sinal.

⑥ Taxa de dados: O LVDS suporta transmissão de dados em alta velocidade, com taxas típicas variando de 155 Mbps a 3,125 Gbps, e ainda mais altas em algumas aplicações.

⑦ Comunicação Half-Duplex: Do ponto de vista da estrutura de transmissão LVDS, um único par de linhas de sinal diferencial só pode transmitir dados em uma direção, o que significa que o LVDS é inerentemente uma interface de comunicação simplex. Entretanto, interfaces comuns como USB também usam apenas um par de linhas diferenciais, mas são capazes de comunicação bidirecional. Isso ocorre porque os sistemas LVDS geralmente empregam dois conjuntos de transmissores e receptores combinados, conforme mostrado na figura. Portanto, o LVDS é essencialmente uma tecnologia de comunicação half-duplex.

⑧ Interface Física: Os sinais LVDS são transmitidos usando dois fios de par trançado balanceados, com um par transportando o sinal positivo e o outro par transportando o sinal complementar (negativo).

⑨ Distância de transmissão: os sinais LVDS podem atingir distâncias de transmissão superiores a 15 metros. Isto se deve principalmente ao método de transmissão diferencial, que cancela efetivamente a interferência eletromagnética entre as linhas de sinal e suprime a diafonia.

⑩ Expansão multicanal: o LVDS pode facilmente dimensionar a largura de banda por meio de um design de "vários pares diferenciais paralelos" (por exemplo, 4 pares, 8 pares). Por exemplo, 8 pares diferenciais podem atingir uma taxa de dados total superior a 12 Gbps, tornando-os adequados para aplicações de transmissão de dados de vídeo de alta resolução.

⑪ Baixo consumo de energia: O consumo de energia do LVDS permanece quase constante, independentemente da taxa de dados, porque a oscilação do sinal é fixa (350 mV) e a corrente do drive é constante (3,5 mA). Quer a taxa de dados seja 100 Mbps ou 1 Gbps, o consumo dinâmico de energia por par diferencial permanece estável em aproximadamente 1,225 mW.

5. Aplicações LVDS

① Interfaces de exibição: LVDS é uma interface padrão para computadores, monitores LCD, televisores e outros dispositivos de exibição, capaz de fornecer transmissão de sinal de vídeo de alta velocidade e qualidade.

② Transmissão de sinal de áudio: O LVDS suporta transmissão em alta velocidade de sinais de áudio e vídeo, tornando-o amplamente utilizado em aplicações como sistemas de home theater, equipamentos de áudio digital e câmeras.

③ Automação Industrial: O LVDS pode ser usado para transmissão de dados em alta velocidade e transmissão de sinais de controle em sistemas de automação industrial.

④ Eletrônica Automotiva: O LVDS é aplicável no campo da eletrônica automotiva – por exemplo, controlando o brilho e o contraste de telas em assentos de automóveis, além de ser usado em sistemas de áudio e vídeo em veículos.

6. Métodos de terminação LVDS: Em aplicações práticas, o LVDS emprega diferentes métodos de terminação dependendo de fatores como tensão de modo comum e oscilação de sinal, e às vezes deve ser adaptado para diferentes padrões lógicos. Abaixo estão as configurações LVDS e métodos de terminação comumente usados.

① Acoplamento CC  

● O acoplamento CC envolve a colocação de um resistor de terminação diferencial de 100 Ω através das linhas de sinal diferencial na extremidade do receptor. Este resistor de terminação deve ser colocado o mais próximo possível do receptor para gerar a tensão diferencial na entrada e corresponder à impedância característica da linha de transmissão, minimizando assim as reflexões do sinal.

● Outro método de terminação utiliza dois resistores de 50 Ω para terminação dividida, com um capacitor conectado ao terra no ponto médio. Este capacitor ajuda a filtrar o ruído de modo comum e suprime o deslocamento DC que pode surgir de incompatibilidades nos traços diferenciais ou desequilíbrios na saída do driver. O valor do capacitor depende da frequência de operação; um capacitor de 0,1 µF geralmente é suficiente para a maioria das taxas de dados de alta velocidade (1 Mbps e acima).

② Acoplamento CA: A rede de resistores na entrada do receptor restaura a tensão CC de modo comum para 1,2 V (assumindo Vcc = 3,3 V), que é o ponto médio da faixa de tensão de modo comum de entrada do receptor LVDS padrão. Além disso, a rede de resistores fornece uma terminação de 100 Ω na entrada do receptor. Se os resistores de terminação já estiverem integrados no receptor LVDS, valores maiores de resistores externos deverão ser selecionados para evitar a alteração da impedância de terminação efetiva na entrada do receptor. O valor recomendado do resistor pull-up é 10 kΩ e o valor do resistor pull-down é 5,7 kΩ. O valor do capacitor de acoplamento AC depende da frequência de operação, pois bloqueia o componente DC; um capacitor de 0,1 µF geralmente é suficiente para altas taxas de dados (1 Mbps e superiores).

A figura à esquerda mostra outra configuração de circuito que, além da rede de resistores de polarização, emprega terminação dividida com um capacitor conectado ao terra no ponto médio. Este capacitor ajuda a filtrar o ruído de modo comum e reduz o deslocamento da linha de transmissão. Comparada ao circuito descrito acima, esta configuração tem a vantagem de menor consumo de energia.