1.LVDS (Señalización diferencial de bajo voltaje) es un estándar eléctrico para la transmisión de señales introducido en 1994 por la National Semiconductor Corporation de los Estados Unidos. Fue desarrollado en gran medida para reemplazar la lógica acoplada por emisor (ECL) o la lógica acoplada por emisor positivo (PECL). LVDS es una tecnología de señalización diferencial de pequeña amplitud que transmite datos a través de un par de trazas de PCB diferenciales o cables balanceados utilizando señales de muy baja amplitud (aproximadamente 350 mV). LVDS admite conexiones punto a punto o punto a multipunto y presenta un bajo consumo de energía, una baja tasa de error de bits, una baja diafonía y una baja radiación electromagnética. Su exclusiva señalización de baja amplitud y su modo de accionamiento de corriente constante generan un ruido mínimo y consumen muy poca energía, lo que lo hace ampliamente utilizado en aplicaciones de comunicación de datos en serie de alta velocidad, como placas posteriores, distribución de reloj, transmisión de datos de placa a placa y enlaces de datos por cable.

2. La arquitectura de transmisión LVDS sigue el estándar TIA/EIA-644 y está diseñada específicamente para la capa física, lo que significa que se centra en la transmisión de señales a nivel eléctrico sin involucrar protocolos de transmisión de datos. Un sistema de transmisión de señales LVDS normalmente consta de tres componentes principales: un transmisor diferencial, un receptor diferencial y una interconexión diferencial.

● Transmisor diferencial: Convierte señales TTL de un solo extremo en señales LVDS balanceadas para transmisión diferencial.  

● Receptor diferencial: Convierte las señales LVDS balanceadas recibidas nuevamente en señales TTL de un solo extremo.  

● Interconexión diferencial: incluye medios de conexión (como cables o trazas de PCB) y una resistencia de terminación. Según las especificaciones IEEE, la resistencia terminal suele ser de 100 Ω.

3. Principio de funcionamiento de LVDS: el controlador LVDS consta de una fuente de corriente constante que impulsa la línea diferencial, generalmente configurada en 3,5 mA. El receptor LVDS tiene una impedancia de entrada muy alta (casi no consume corriente), por lo que la mayor parte de la corriente del controlador fluye a través de la resistencia de terminación de 100 Ω, generando un voltaje de aproximadamente 350 mV a través de los terminales de entrada del receptor. Cuando el controlador cambia de estado, la dirección de la corriente a través de la resistencia se invierte, produciendo los estados lógicos "1" y "0" lógicos correspondientes.

Lógica de salida "1": la etapa de salida LVDS emplea una fuente de corriente de 3,5 mA y consta de dos pares de MOSFET (cuatro transistores) que forman un par de salida diferencial. Cuando A+ se enciende y B- se apaga, la corriente de la fuente de corriente constante fluye a través de Q2 (el MOSFET A+), impulsa la salida, pasa a través de la resistencia de terminación de 100 Ω, regresa a través de Q3 (el MOSFET A+) al lado del controlador y se conecta a GND. Esta ruta de corriente genera un voltaje de salida a través de la resistencia terminal de 100 Ω de: 3,5 mA × 100 Ω = 350 mV, que representa el "1" lógico. La dirección de la corriente es la que se muestra en la siguiente figura:

Lógica de salida "0": cuando B− está activado y A+ está desactivado, la corriente del variador de 3,5 mA fluye desde Q1 (el MOSFET B−), pasa a través de la resistencia de terminación de 100 Ω y regresa a través de Q4 (el MOSFET B−) en el controlador a GND. Esta ruta de corriente también genera un voltaje a través de la resistencia de terminación de 100 Ω, pero la dirección de la corriente es opuesta a la del estado "A+ encendido, B- apagado". Como resultado, se produce un voltaje inverso: −3,5 mA × 100 Ω = −350 mV, que representa un "0" lógico. La dirección actual es como se muestra en la siguiente figura:

4. Características del LVDS:

① Transmisión diferencial: las señales LVDS utilizan un método de transmisión diferencial, lo que significa que cada línea de señal tiene una línea de señal complementaria (invertida) correspondiente. La diferencia de voltaje entre la línea de señal y su línea complementaria es simétrica en niveles positivos y negativos. Este enfoque diferencial ayuda a reducir la interferencia y suprimir la diafonía, mejorando así la calidad y la estabilidad de la señal.

② Características de voltaje: Las dos líneas de señal diferencial LVDS, positiva (A+) y negativa (B−), tienen un voltaje de polarización de modo común de 1,2 V y una oscilación de voltaje diferencial de 350 mV. Si medimos las formas de onda de la señal usando un osciloscopio y calculamos la diferencia entre los dos voltajes: (A+) − (B−), la oscilación diferencial resultante será −350 mV para el "0" lógico y +350 mV para el "1" lógico. La forma de onda se muestra en la siguiente figura:

③ Unidad de corriente constante: LVDS emplea una arquitectura de unidad de fuente de corriente constante de 3,5 mA. La señal forma un bucle a través de una resistencia terminal de 100 Ω y el voltaje diferencial se genera a través de esta resistencia a medida que la corriente fluye a través de ella. Este diseño garantiza una amplitud de señal de salida estable que es insensible a variaciones menores de carga, al mismo tiempo que evita problemas como sobreimpulsos y subimpulsos que se observan comúnmente en los sistemas tradicionales impulsados ​​por voltaje.

④ Rango de voltaje de modo común: Los receptores LVDS tienen un amplio rango de voltaje de entrada de modo común, generalmente de 0,2 V a 2,2 V. Pueden tolerar una diferencia de potencial de tierra (comúnmente conocida como "rebote de tierra") de hasta ±1 V entre el transmisor y el receptor. Esto significa que, si bien el transmisor normalmente emite señales con un voltaje de modo común de 1,2 V, el receptor puede detectar con precisión señales dentro de este amplio rango de voltaje.

⑤ Resistencia de terminación: el estándar exige que se conecte en paralelo una resistencia de terminación de 100 Ω ±10 % en el "extremo del receptor" de la señal LVDS (normalmente una resistencia de montaje en superficie de alta precisión), y la resistencia debe colocarse lo más cerca posible de los pines del receptor. El objetivo es "absorber" la energía de la señal al final de la línea de transmisión y evitar reflejos de la señal.

⑥ Velocidad de datos: LVDS admite transmisión de datos de alta velocidad, con velocidades típicas que van desde 155 Mbps a 3,125 Gbps, e incluso superiores en algunas aplicaciones.

⑦ Comunicación semidúplex: desde la perspectiva de la estructura de transmisión LVDS, un solo par de líneas de señal diferencial solo puede transmitir datos en una dirección, lo que significa que LVDS es inherentemente una interfaz de comunicación simplex. Sin embargo, las interfaces comunes como USB también utilizan solo un par de líneas diferenciales pero son capaces de comunicación bidireccional. Esto se debe a que los sistemas LVDS suelen emplear dos conjuntos de transmisores y receptores combinados, como se muestra en la figura. Por lo tanto, LVDS es esencialmente una tecnología de comunicación semidúplex.

⑧ Interfaz física: las señales LVDS se transmiten mediante dos cables de par trenzado balanceados, donde un par lleva la señal positiva y el otro par lleva la señal complementaria (negativa).

⑨ Distancia de transmisión: las señales LVDS pueden alcanzar distancias de transmisión de más de 15 metros. Esto se debe principalmente al método de transmisión diferencial, que anula eficazmente la interferencia electromagnética entre las líneas de señal y suprime la diafonía.

⑩ Expansión multicanal: LVDS puede escalar fácilmente el ancho de banda a través de un diseño de "múltiples pares diferenciales paralelos" (por ejemplo, 4 pares, 8 pares). Por ejemplo, 8 pares diferenciales pueden alcanzar una velocidad de datos total superior a 12 Gbps, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de transmisión de datos de vídeo de alta resolución.

⑪ Bajo consumo de energía: el consumo de energía de LVDS permanece casi constante independientemente de la velocidad de datos, porque la oscilación de la señal es fija (350 mV) y la corriente del variador es constante (3,5 mA). Ya sea que la velocidad de datos sea de 100 Mbps o 1 Gbps, el consumo de energía dinámica por par diferencial permanece estable en aproximadamente 1,225 mW.

5. Aplicaciones LVDS

① Interfaces de pantalla: LVDS es una interfaz estándar para computadoras, monitores LCD, televisores y otros dispositivos de visualización, capaz de proporcionar transmisión de señales de video de alta velocidad y alta calidad.

② Transmisión de señal de audio: LVDS admite la transmisión de alta velocidad de señales de audio y video, lo que lo hace ampliamente utilizado en aplicaciones como sistemas de cine en casa, equipos de audio digital y cámaras.

③ Automatización industrial: LVDS se puede utilizar para la transmisión de datos de alta velocidad y la transmisión de señales de control en sistemas de automatización industrial.

④ Electrónica automotriz: LVDS se aplica en el campo de la electrónica automotriz; por ejemplo, controla el brillo y el contraste de las pantallas en los asientos de los automóviles, además de usarse en sistemas de audio y video en vehículos.

6. Métodos de terminación LVDS: en aplicaciones prácticas, LVDS emplea diferentes métodos de terminación dependiendo de factores como el voltaje de modo común y la oscilación de la señal y, en ocasiones, debe adaptarse a diferentes estándares lógicos. A continuación se muestran las configuraciones LVDS y los métodos de terminación más utilizados.

① Acoplamiento CC  

● El acoplamiento de CC implica colocar una resistencia de terminación diferencial de 100 Ω a través de las líneas de señal diferencial en el extremo del receptor. Esta resistencia de terminación debe colocarse lo más cerca posible del receptor para generar el voltaje diferencial en la entrada y hacer coincidir la impedancia característica de la línea de transmisión, minimizando así los reflejos de la señal.

● Otro método de terminación utiliza dos resistencias de 50 Ω para terminación dividida, con un capacitor conectado a tierra en el punto medio. Este condensador ayuda a filtrar el ruido de modo común y suprime la compensación de CC que puede surgir debido a desajustes en las trazas diferenciales o desequilibrios en la salida del controlador. El valor del condensador depende de la frecuencia de funcionamiento; un condensador de 0,1 µF suele ser suficiente para la mayoría de velocidades de datos de alta velocidad (1 Mbps y superiores).

② Acoplamiento de CA: la red de resistencias en la entrada del receptor restablece el voltaje de modo común de CC a 1,2 V (suponiendo que Vcc = 3,3 V), que es el punto medio del rango de voltaje de modo común de entrada del receptor LVDS estándar. Además, la red de resistencias proporciona una terminación de 100 Ω en la entrada del receptor. Si las resistencias de terminación ya están integradas dentro del receptor LVDS, se deben seleccionar valores de resistencia externa más grandes para evitar alterar la impedancia de terminación efectiva en la entrada del receptor. Un valor de resistencia pull-up recomendado es 10 kΩ y un valor de resistencia pull-down es 5,7 kΩ. El valor del condensador de acoplamiento de CA depende de la frecuencia de operación, ya que bloquea el componente de CC; un condensador de 0,1 µF suele ser suficiente para altas velocidades de datos (1 Mbps y superiores).

La figura de la izquierda muestra otra configuración de circuito que, además de la red de resistencias de polarización, emplea terminación dividida con un condensador conectado a tierra en el punto medio. Este condensador ayuda a filtrar el ruido de modo común y reduce el desplazamiento de la línea de transmisión. En comparación con el circuito descrito anteriormente, esta configuración tiene la ventaja de un menor consumo de energía.