1.LVDS (дифференциальная сигнализация низкого напряжения) — это электрический стандарт передачи сигналов, введенный в 1994 году Национальной полупроводниковой корпорацией США. Он был в основном разработан для замены логики с эмиттерной связью (ECL) или положительной логики с эмиттерной связью (PECL). LVDS — это технология дифференциальной передачи сигналов малой амплитуды, которая передает данные по паре дифференциальных дорожек печатной платы или симметричным кабелям с использованием сигналов очень низкой амплитуды (около 350 мВ). LVDS поддерживает соединения «точка-точка» или «точка-множество точек» и отличается низким энергопотреблением, низким уровнем битовых ошибок, низкими перекрестными помехами и низким электромагнитным излучением. Его уникальная передача сигналов с низкой амплитудой и режим управления постоянным током создают минимальный шум и потребляют очень мало энергии, что делает его широко используемым в приложениях высокоскоростной последовательной передачи данных, таких как объединительные платы, распределение тактовых сигналов, передача данных между платами и кабельные каналы передачи данных.

2. Архитектура передачи LVDS соответствует стандарту TIA/EIA-644 и разработана специально для физического уровня, то есть ориентирована на передачу сигналов на электрическом уровне без использования протоколов передачи данных. Система передачи сигнала LVDS обычно состоит из трех основных компонентов: дифференциального передатчика, дифференциального приемника и дифференциального межсоединения.

● Дифференциальный передатчик: преобразует несимметричные сигналы TTL в сбалансированные сигналы LVDS для дифференциальной передачи.  

● Дифференциальный приемник: преобразует полученные балансные сигналы LVDS обратно в несимметричные сигналы TTL.  

● Дифференциальное межсоединение: включает в себя соединительную среду (например, кабели или дорожки печатной платы) и согласующий резистор. Согласно спецификациям IEEE, сопротивление согласующего резистора обычно составляет 100 Ом.

3. Принцип работы LVDS. Драйвер LVDS состоит из источника постоянного тока, который управляет дифференциальной линией, обычно настроенной на ток 3,5 мА. Приемник LVDS имеет очень высокий входной импеданс (почти не потребляет ток), поэтому большая часть тока от драйвера протекает через согласующий резистор сопротивлением 100 Ом, создавая напряжение примерно 350 мВ на входных клеммах приемника. Когда драйвер переключает состояние, направление тока через резистор меняется на противоположное, создавая соответствующие состояния логической «1» и логического «0».

Выходная логика «1»: Выходной каскад LVDS использует источник тока 3,5 мА и состоит из двух пар МОП-транзисторов (четырех транзисторов), образующих дифференциальную выходную пару. Когда A+ включен, а B- выключен, ток от источника постоянного тока протекает через Q2 (МОП-транзистор A+), управляет выходом, проходит через согласующий резистор сопротивлением 100 Ом, возвращается через Q3 (МОП-транзистор A+) на сторону драйвера и соединяется с GND. Этот путь тока генерирует выходное напряжение на согласующем резисторе сопротивлением 100 Ом: 3,5 мА × 100 Ом = 350 мВ, что соответствует логической «1». Направление тока показано на рисунке ниже:

Выходная логика «0»: когда B- включен, а A+ выключен, ток возбуждения 3,5 мА вытекает из Q1 (MOSFET B-), проходит через согласующий резистор сопротивлением 100 Ом, возвращается через Q4 (MOSFET B-) в драйвере на землю. Этот путь тока также генерирует напряжение на согласующем резисторе сопротивлением 100 Ом, но направление тока противоположно направлению тока в состоянии «A+ включено, B- выключено». В результате создается обратное напряжение: −3,5 мА × 100 Ом = −350 мВ, что соответствует логическому «0». Текущее направление показано на рисунке ниже:

4. Характеристики LVDS:

① Дифференциальная передача: сигналы LVDS используют дифференциальный метод передачи, то есть каждая сигнальная линия имеет соответствующую дополнительную (инвертированную) сигнальную линию. Разность напряжений между сигнальной линией и дополнительной линией симметрична по положительному и отрицательному уровням. Этот дифференциальный подход помогает уменьшить помехи и подавить перекрестные помехи, тем самым улучшая качество и стабильность сигнала.

② Характеристики напряжения: две линии дифференциального сигнала LVDS — положительная (A+) и отрицательная (B−) — имеют синфазное напряжение смещения 1,2 В и размах дифференциального напряжения 350 мВ. Если мы измерим форму сигнала с помощью осциллографа и вычислим разницу между двумя напряжениями: (A+) − (B−), результирующий размах разности будет составлять −350 мВ для логической «0» и +350 мВ для логической «1». Форма сигнала показана на рисунке ниже:

③ Привод постоянного тока: LVDS использует архитектуру управления источником постоянного тока 3,5 мА. Сигнал образует петлю через согласующий резистор сопротивлением 100 Ом, и на этом резисторе генерируется дифференциальное напряжение, когда через него протекает ток. Такая конструкция обеспечивает стабильную амплитуду выходного сигнала, нечувствительную к незначительным изменениям нагрузки, а также позволяет избежать таких проблем, как перерегулирование и понижение, обычно наблюдаемых в традиционных системах, управляемых напряжением.

④ Диапазон синфазного напряжения: приемники LVDS имеют широкий диапазон входного синфазного напряжения, обычно от 0,2 В до 2,2 В. Они могут выдерживать разность потенциалов земли (обычно называемую «отскоком земли») до ± 1 В между передатчиком и приемником. Это означает, что хотя передатчик обычно выдает сигналы с синфазным напряжением 1,2 В, приемник может точно обнаруживать сигналы в этом широком диапазоне напряжений.

⑤ Согласующий резистор: стандарт требует, чтобы согласующий резистор сопротивлением 100 Ом ±10% был подключен параллельно на «приемной стороне» сигнала LVDS (обычно это высокоточный резистор для поверхностного монтажа), причем резистор должен быть расположен как можно ближе к контактам приемника. Цель состоит в том, чтобы «поглотить» энергию сигнала на конце линии передачи и предотвратить отражение сигнала.

⑥ Скорость передачи данных: LVDS поддерживает высокоскоростную передачу данных с типичной скоростью от 155 Мбит/с до 3,125 Гбит/с, а в некоторых приложениях даже выше.

⑦ Полудуплексная связь. С точки зрения структуры передачи LVDS одна пара линий дифференциального сигнала может передавать данные только в одном направлении, что означает, что LVDS по своей сути является симплексным интерфейсом связи. Однако общие интерфейсы, такие как USB, также используют только одну пару дифференциальных линий, но способны к двунаправленной связи. Это связано с тем, что в системах LVDS часто используются два набора передатчиков и приемников, объединенных вместе, как показано на рисунке. Таким образом, LVDS по сути является технологией полудуплексной связи.

⑧ Физический интерфейс: сигналы LVDS передаются по двум симметричным витым парам, одна пара передает положительный сигнал, а другая пара передает дополнительный (отрицательный) сигнал.

⑨ Расстояние передачи: сигналы LVDS могут достигать расстояния передачи более 15 метров. В первую очередь это связано с дифференциальным методом передачи, который эффективно нейтрализует электромагнитные помехи между сигнальными линиями и подавляет перекрестные помехи.

⑩ Многоканальное расширение: LVDS может легко масштабировать полосу пропускания с помощью конструкции «несколько параллельных дифференциальных пар» (например, 4 пары, 8 пар). Например, 8 дифференциальных пар могут обеспечить общую скорость передачи данных, превышающую 12 Гбит/с, что делает их подходящими для приложений передачи видеоданных высокого разрешения.

⑪ Низкое энергопотребление. Потребляемая мощность LVDS остается практически постоянной независимо от скорости передачи данных, поскольку размах сигнала фиксирован (350 мВ), а ток возбуждения постоянен (3,5 мА). Независимо от того, составляет ли скорость передачи данных 100 Мбит/с или 1 Гбит/с, динамическое энергопотребление на дифференциальную пару остается стабильным и составляет примерно 1,225 мВт.

5. Приложения LVDS

① Интерфейсы дисплея: LVDS — это стандартный интерфейс для компьютеров, ЖК-мониторов, телевизоров и других устройств отображения, способный обеспечивать высокоскоростную и качественную передачу видеосигнала.

② Передача аудиосигнала: LVDS поддерживает высокоскоростную передачу как аудио, так и видеосигналов, что делает его широко используемым в таких приложениях, как системы домашнего кинотеатра, цифровое аудиооборудование и камеры.

③ Промышленная автоматизация: LVDS может использоваться для высокоскоростной передачи данных и передачи управляющих сигналов в системах промышленной автоматизации.

④ Автомобильная электроника: LVDS применим в области автомобильной электроники, например, для управления яркостью и контрастностью дисплеев на автомобильных сиденьях, а также для использования в автомобильных аудио- и видеосистемах.

6. Методы согласования LVDS. В практических приложениях в LVDS используются различные методы согласования в зависимости от таких факторов, как синфазное напряжение и размах сигнала, и иногда их необходимо адаптировать для различных логических стандартов. Ниже приведены наиболее часто используемые конфигурации LVDS и методы завершения.

① Соединение постоянного тока  

● Связь по постоянному току предполагает размещение дифференциального согласующего резистора сопротивлением 100 Ом между дифференциальными сигнальными линиями на стороне приемника. Этот согласующий резистор следует размещать как можно ближе к приемнику, чтобы генерировать дифференциальное напряжение на входе и соответствовать характеристическому сопротивлению линии передачи, тем самым сводя к минимуму отражения сигнала.

● В другом методе согласования используются два резистора сопротивлением 50 Ом для раздельного согласования с конденсатором, подключенным к земле в средней точке. Этот конденсатор помогает отфильтровать синфазный шум и подавляет смещение постоянного тока, которое может возникнуть из-за несоответствия дифференциальных цепей или дисбаланса на выходе драйвера. Номинал конденсатора зависит от рабочей частоты; Конденсатора емкостью 0,1 мкФ обычно достаточно для большинства высокоскоростных скоростей передачи данных (1 Мбит/с и выше).

② Связь по переменному току: резисторная сеть на входе приемника восстанавливает синфазное напряжение постоянного тока до 1,2 В (при условии, что Vcc = 3,3 В), что является средней точкой диапазона входного синфазного напряжения стандартного приемника LVDS. Кроме того, сеть резисторов обеспечивает оконечное сопротивление 100 Ом на входе приемника. Если согласующие резисторы уже встроены в приемник LVDS, следует выбрать внешние резисторы большего номинала, чтобы избежать изменения эффективного согласующего сопротивления на входе приемника. Рекомендуемое сопротивление повышающего резистора составляет 10 кОм, а сопротивление понижающего резистора — 5,7 кОм. Значение конденсатора связи по переменному току зависит от рабочей частоты, поскольку он блокирует постоянную составляющую; Конденсатора емкостью 0,1 мкФ обычно достаточно для высоких скоростей передачи данных (1 Мбит/с и выше).

На левом рисунке показана другая конфигурация схемы, в которой, в дополнение к сети резисторов смещения, используется раздельная оконечная нагрузка с конденсатором, подключенным к земле в средней точке. Этот конденсатор помогает фильтровать синфазный шум и уменьшает смещение линии передачи. По сравнению со схемой, описанной выше, эта конфигурация имеет преимущество более низкого энергопотребления.