差分信号线的技术原理及设计要求

差分信号线的技术原理及设计要求

10差分信号线的技术原理及设计要求电讯工程 差分信号线的技术原理及设计要求 景芳俞茂超

(陕西黄河集团有限公司设计所西安710043)

摘要:近几年由于消费市场对带宽的不断提高,传统的总线协议已经不能够满 足要求了.新的总线协议则定义了更高的速率.串行总线中应用最多的差分信号由 于其良好的抗干扰性,易于布局及更高的速率获得了广泛的应用.这篇文章中介绍 了有关差分信号线的基本概念及原理,并以LVDS为例,对其系统设计提出了一些建

议.最后简单的说明了差分系统中测量方面的一些常见的概念. 关键词:差分信号LVDS测量 1差分信号技术原理 1.1什么是差分信号 一

个差分信号(DifferentialSig— na1)是用一个数值来表示两个物理量 之间的差异.从严格意义上来讲,所 C

有电压信号都是差分的,因为一个电图1差分方程式:C=A一B

压只能是相对于另一个电压而言的.在某些系统里,系统\"地\"被用作电压基准点.当\"地\"当

作电压测量基准时,这种信号规划被称之为单端的.我们使用该术语是因为信号是用单个导

体上的电压来表示的.其驱动器一般为电流驱动器,在接收一侧则一般是简单的100欧姆无

源端接器,如图1.在正引线上,电流正向流动,负引线构成电流的返回通路.接收器

仅仅给

出A和B线上的信号差.A和B线共有的噪声或者信号将被抑制掉.

另一方面,一个差分信号作用在两个导体上.信号值是两个导体间的电压差.尽管不是

非常必要,这两个电压的平均值还是会经常保持一致.差分信号用一对标识为V+和V一的

导线来表示.当V+>V一时,信号定义成正极信号,当V+<V一时,信号定义成负极信号.

当不采用单端信号而采取差分信号方案时,我们用一对导线来替代单根导线,增加了任何相关

接口电路的复杂性.那么差分信号提供了什么样的有形益处,才能证明复杂性和成本的增加 是值得的呢?

1.2为什么使用差分信号(差分和LVDS信号的优势) ▲高速率

速度一信号的转换时间就是你能达到的速度的极限.更高的信号摆幅将需要花更长的时

间才能完成转换.一个提高速度的办法就是缩短转换时间,但由于噪声,串扰和功率方面的原

因,那是不现实的.为了提高速度,LVDS通过降低信号摆幅来加快转换过程.更短的转换时

间,并不会增加串扰,EMI和功耗,因为信号摆幅大大减小了.一般来说,这减小了噪声裕度,

电讯工程差分信号线的技术原理及设计要求

但LVDS可以利用其差分传输方式来解决这个问题,在该方案中,信一噪比得以大大提高.图

2表示出了信号摆幅变小以及向差分信号转移的趋势.一般,当信号摆幅减小时,噪声裕度也

相应降低.然而,LVDS就不是这种情况,即使它的信号摆幅小于BTL或者GTL.它可以实

现更大的信号裕度.这就是差分信号所带来的好处.TI'L/CMOS逻辑或者摆幅更小的技术

(BTL和GTL)在底板中的使用,是当前设计工程师们一个共同的选择,但是它们提供的对噪

声的抗扰性都达不到LVDS信号所具备的水平,消耗的功率过大,端接复杂,而且不易升级.

CMOSTTLBTLGTL+LVDS LVCMOS

图2各种信号电压幅度对比图 ▲低功耗

LVDS的一个重要目标是实现低功耗.这是通过CMOS工艺的采用来实现的,该工艺的

静态电流消耗极小.驱动器设计采用电流模式,因此开关的尖峰大为降低.这可以降低EMI,

简化电源分配和退耦方面的要求.另外,工作电流一工作频率曲线也非常平坦.另一方面,对

于电压模式驱动器而言,电源电流Ice随着频率增加会急剧增大.采用差分的数据传输方案

后,负载电压得以下降,而同时提供±1V的噪声抑制能力(共模情况).这样,Vod(对于422

标准来说是2Vmin,对于PECL来说的800mV)可以降低到330mV(LVDS).即使转换时间

为300ps,转换速率也维持在约1V/ns的水平上.100欧姆负载两端的330mV对应的负载电

流仅为3.3mA,而422的负载电流大于20mA.LVDS解决了静态和动态电流问题,实现了功

耗最低的接口,由于无需在封装中内藏散热条,集成度可以大为提高.

▲对外部电磁干扰(EMI)高度免疫 一

个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端.既然电压差异决定信号值,这样

将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰.除了对干扰不大灵敏外,差分信号比单端信号生 成的EMI还要少.

1.3差分信号的一个实例:LVDS

LVDS(LowVoltageDifferentialSignaling)是一种低摆幅的电流型差分信号技术,它使得信号

能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输,其低压幅和低电流驱动输出实现了

低噪声和低功耗.LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成?通常电流为3.5mA,LVDS

接收器具有很高的输人阻抗,因此驱动器输出的电流大部分都流过100f~的匹配电阻,并在接收

器的输入端产生大约350mA的电压,如图3.当驱动器翻转时,它改变流经电阻的电流方向,因

此产生有效的逻辑\"1\"和逻辑\"0\"状态.低摆幅驱动信号实现了高速操作并减小了功率消耗,差

分信号提供了适当噪声边缘和功率消耗大幅减少的低压摆幅.功率的大幅降低允许在单个集成

电路上集成多个接口驱动器和接收器.这提高了PCB板的效能,减少了成本. LVDS驱动器一般为电流驱动器,在接收一侧则一般是简单的100Q无源端接器.在正

12差分信号线的技术原理及设计要求电讯工程 图3LVDS基本电路示意图

引线上,电流正向流动,负引线构成电流的返回通路.接收器仅仅给出A和B线上

的信号差.

A和B线共有的噪声或者信号将被抑制掉. 2LVDS系统设计

下面分七部分说明差分布线的设计要求.

LVDS系统的设计要求设计者应具备超高速单板设计的经验并了解差分信号的理论.设

计高速差分板并不很困难,下面将简要介绍一下各注意点. 2.1PCB板

(A)至少使用4层PCB板(从顶层到底层):LVDS信号层,地层,电源层,,丌L信号层; (B)使TTL信号和LYDS信号相互隔离,否则TTL可能会耦合到LVDS线上,最好将1-rL

和LVDS信号放在由电源/地层隔离的不同层上;

(C)使LVDS驱动器和接收器尽可能地靠近连接器的LVDS端;

(D)使用分布式的多个电容来旁路LVDS设备,表面贴电容靠近电源/地层管脚放置;

(E)电源层和地层应使用粗线,不要使用5OQ布线规则; (F)保持PCB地线层返回路径宽而短;

(G)应该使用利用地层返回铜线的电缆连接两个系统的地层;

(H)使用多过孔(至少两个)连接到电源层(线)和地层(线),表面贴电容可以直接焊接

到过孑L焊盘以减少线头. 2.2板上导线

(A)微波传输线(microstrip)和带状线(stripline)都有较好性能; (B)微波传输线的优点:一般有更高的差分阻抗,不需要额外的过孑L; (C)带状线在信号间提供了更好的屏蔽. 2.3差分线

(A)使用与传输媒质的差分阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线,并且使差分线对离开

集成芯片后的间距为某一定值.这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪

声,间距由

需要的差分阻抗(differentialimpedance)决定;

(B)使差分线对的长度相互匹配以减少信号扭曲,是为了保证两个差分信号时刻保持相

反极性,减少共模分量;

(C)不要仅仅依赖自动布线功能,而应仔细修改以实现差分阻抗匹配并实现差分线的隔离;

(D)尽量减少过孔和其它会引起线路不连续性的因素;

(E)避免将导致阻值不连续性的9O.走线,使用圆弧或45.折线来代替;

(F)在差分线对内,两条线之间的距离应尽可能短,以保持接收器的共模抑制能力.在印

制板上,两条差分线之间的距离应尽可能保持一致,以避免差分阻抗的不连续性.

电讯工程差分信号线的技术原理及设计要求13 2.4终端

(A)使用终端电阻实现对差分传输线的最大匹配,阻值一般在90～130n之间,系统也需

要此终端电阻来产生正常工作的差分电压;

(B)最好使用精度1～2%的表面贴电阻跨接在差分线上,必要时也可使用两个阻值各为

50n的电阻,并在中间通过一个电容接地,以滤去共模噪声. 2.5未使用的管脚

所有未使用的LVDS接收器输入管脚悬空,所有未使用的LVDS和TTL输出管脚悬空,将

未使用的rITI发送/驱动器输入和控制/使能管脚接电源或地. 2.6媒质(电缆和连接器)选择

(A)使用受控阻抗媒质,差分阻抗约为loon,不会引入较大的阻抗不连续性; (B)仅就减少噪声和提高信号质量而言,平衡电缆(如双绞线对)通常比非平衡电缆好;

(C)电缆长度小于0.5m时,大部分电缆都能有效工作,距离在0.5m～lOm之间时,CAT3

(Categiory3)双绞线对电缆效果好,便宜并且容易买到,距离大于10m并且要求高速率时,建

议使用CAT5双绞线对..

2.7在噪声环境中提高可靠性设计

LVDS接收器在内部提供了可靠性线路,用以保护在接收器输入悬空,接收器输入短路以

及接收器输入匹配等情况下输出可靠.但是,当驱动器三态或者接收器上的电缆没有连接到

驱动器上时,它并没有提供在噪声环境中的可靠性保证.在此情况下,电缆就变成了浮动的天

线,如果电缆感应到的噪声超过LVDS内部可靠性线路的容限时,接收器就会开关或振荡.如

果此种情况发生,建议使用平衡或屏蔽电缆.另外,也可以外加电阻来提高噪声容限.当然,

如果使用内嵌在芯片中的LVDS收发器,由于一般都有控制收发器是否工作的机制,因而这种 悬置不会影响系统. 3差分信号的测量

对输入连接来说,差分放大器或探头与信号源的互连是产生误差的最大来源.为了维持输

入的匹配,两个通道应尽可能一样.两个输入端的任何接线的都应长度相同.如果使用探头,其

型号与长度也应相同.在测量高共模电压的低频信号时,应避免使用带衰减的探头.在高增益

时则完全不能使用这种探头,因为差分信号的分析和LAYOUT不可能精地平衡它们的衰减量.

当高电压或高频率的应用需要衰减时,应使用为差分放大器专门设计的专用无源

探头.这种探

头具有能精密调整直流衰减和交流补偿的装置.为获得最佳的性能,每一个特定的放大器都应

专用一套探头,而且要根据这套探头附带的程序针对该放大器进行校准.一种常用的方法是将

+和一输入缆线成对绞扭在一起.这样可减少拾取线路频率干扰和其他噪声的可能. 4小结

差分信号凭着它的高速,低功耗,对外部电磁干扰(EMI)高度的免疫已经被很多设计工程

师接受,并广泛的推广采用,尤其是高速的通信领域中. 参考文献

《数据传输通信接口的区分》——NationalSemiconductor.