LVDS 是高速、低电压、低功耗和低噪声通用 I/O 接口标准。 低电压摆幅和差分电流模式输出显著降低了电磁干扰 (EMI)。 这些输出有较快的边沿速率,使信号通路起到了传输线的作用。 因此,超高速电路板设计和差分信号理论对于设计含有 Altera FPGA 并集成了 LVDS 的电路板非常有用。 此外,在设计 LVDS 电路板时,还需要考虑差分走线、阻抗匹配、交叉串扰和 EMI 等多种因素。
差分走线
LVDS 采用了差分传输机制,每一 LVDS 信号使用两条走线。 这两条走线之间的电压差定义了 LVDS 信号值。 在对电路板布板时,请按照以下指南进行操作,以便在差分走线上成功的传输 LVDS 信号。
阻抗匹配
由于是高速 LVDS,因此,阻抗匹配非常重要,即使是非常短的转弯。 差分 LVDS 走线的任何不连续点都会导致信号反射,劣化信号质量。 这些不连续点增大了共模噪声,以 EMI 的形式进行辐射。 LVDS 以电流模式输出,需要匹配电阻实现闭环,没有电阻匹配时无法工作。 所选择的这一匹配电阻值 (RT) 与传输线的差分阻抗相匹配,在 90Ω 到 110Ω 之间 ( 一般为 100Ω)。 图 1 所示为匹配电阻的正确应用。
为 LVDS 通道选择匹配电阻时,应遵从以下指南。
LVDS 和单端信号之间的交叉串扰
为减小 LVTTL、SSTL-3、SSTL-2 以及类似标准等 LVDS 和单端信号之间的交叉串扰,必须将差分 LVDS 信号与单端信号隔离。 如果 LVDS 和单端信号彼此距离不够远,单端信号可能会给差分对带来一定的干扰。 靠近单端信号走线的 LVDS 信号受到的影响要比远端信号大一些,LVDS 接收器无法将产生的差值信号作为共模噪声而抑制掉。 虽然干扰不会导致LVDS接收器错误的触发;但是,会劣化LVDS信号质量,从而减小噪声余量。 在同一 PCB 层上,单端信号距离 LVDS 信号至少 12 mm,以避免交叉串扰效应。 可以采用 VCC 和地平面来隔离 LVDS 信号层和单端信号层。 图 2 显示了使用电源平面作为 LVDS 层与单端信号层的屏蔽。
电磁干扰
电磁辐射是设计人员通常关心的问题,因为辐射会通过电磁横波 (TEM) 进行传播。 这些电磁波会穿过屏蔽层,导致系统无法通过电磁兼容性 (EMC) 测试。 采用 CMOS 或者 TTL 等单端传输方式时,几乎所有的磁力线都能够从导体中自由辐射出去。 一些磁力 线以 TEM 波的形式传播,从系统中辐射出去,带来 EMC 问题。
对于 LVDS 差分信号,磁力线彼此抵消,电场相互耦合。 这些电场彼此紧密耦合,无法辐射出去。 只有很少的泄漏场从耦合中辐射出去。 因此,相对于 CMOS 或者 TTL 信号, LVDS 差分传输系统的 EMI 要小得多。 图 3 显示了单端走线和差分对的电磁场效应。
LVDS信号可以布在PCB微带线(外层)和带状线(中间层)之间。图4显示了LVDS 带状线和微带线的电磁场辐射。
对于微带线,下面的地平面耦合了其他的磁力线,从而限制了更多的磁力线,减小了 EMI 的影响。 带状线耦合了所有的磁力线,显著降低了 EMI,但是存在以下不足:
为实现磁场的最大耦合,差分对两个导体之间的间隙应尽可能小。 图 5 显示了带状线和微带线对的尺寸。
为更好的耦合差分对,S < 2W,S < B,D = 2S,其中:
■ W = 差分对中一条走线的宽度
■ S = 差分对两条走线之间的距离
■ D = 临近差分对之间的距离
■ B = 电路板厚度
应遵从以下规则,以实现差分对两个导体之间良好的耦合:
■ 导体之间的距离不应超过宽度的两倍 (S<2W) ■ 电路板的厚度应大于导体之间的距离 (B>S)
■ 两个临近差分对之间的距离应大于或者等于两个独立导体之间距离的两倍 (D>2S)。
通用 PCB 指南
这一节介绍通用 PCB 布局和供电电压指南。
LVDS电缆
采用电缆在电路板之间传送 LVDS 信号。 但是,由于特殊的阻抗匹配和低偏移要求,一般的电缆不一定适用于 LVDS。 按照下面的指南为 LVDS 应用选择电缆:
■ 电缆必须符合 LVDS 的 “匹配阻抗”要求。
■ 电缆的偏移应非常小。
■ 导体对必须平衡 ( 例如,两个导体穿过电缆后应有相同的延时 )。
对于低速和距离非常短的传输,应采用带状电缆。 对于距离较长的传输和高速应用, 使用双绞线 ( 平衡双绞线适用于这种情况 )。 如果您使用带状电缆,必须由地线将信号对分开,带状电缆的边沿连接器不能用于承载信号。 显示了用于 LVDS 应用的带状电 缆。
双轴电缆也可以用于 LVDS,其平衡性能要比同轴电缆好得多。 与同轴电缆相比,由于 场相消效应,双轴电缆的 EMI 很小。 图 7 显示了双轴和同轴电缆。
为优化性能,使用双绞线,这是因为 LVDS 接收器能够抑制这些电缆带来的共模电磁辐射。 对于较小的传输距离 ( 大约 0.5 m),可以采用 CAT3 平衡双绞线。 距离大于 0.5 m 时,数据速率在 500 MHz 以上的应用,使用 CAT5 平衡电缆。
LVDS 连接器
使用连接器连接电路板之间的 LVDS 信号。 图 8 显示了 LVDS 连接器较好和较差的例子。 在右面的例子中,差分对长度相同;在左面的例子中,同一差分对的信号有不同的长度,导致出现偏移。
为 LVDS 应用选择连接器时,请按照下面的指南进行操作。
总结
为充分发挥高速低噪声 LVDS 的优势,设计人员应确保板上和穿过连接器或者电缆的差分走线导体彼此紧密耦合,从而降低噪声,很好的进行平衡,减小偏移,实现阻抗匹配。
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本文链接地址: Altera的 LVDS 系统电路板设计指南 http://www.mr-wu.cn/altera-board-design-guidelines-for-lvds-systems/
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