硬件设计:LVDS电平标准

什么是LVDS?

LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)是一种高速、低功耗的差分信号传输标准。它通过一对差分信号线(通常是两根互补信号线)来传输数据,广泛应用于高速数字通信领域。


LVDS 的核心特点

  1. 低电压摆幅

    LVDS 的信号摆幅通常为 ±350mV,基准电平为1.2V。这种低摆幅设计可以减少信号反射与干扰,提高传输效率。

  2. 差分信号传输

    LVDS 通过一对信号线分别传输正、负信号。差分信号模式对共模噪声免疫力高,并且信号完整性更好。

  3. 高速传输

    LVDS 支持的最大传输速率可达数百 Mbps 至数 Gbps,具体速率取决于使用的具体硬件设计。

  4. 低功耗

    由于低电压摆幅和电流驱动模式,LVDS 的功耗比传统单端信号低。

  5. 信号完整性优异

    差分传输减少了电磁干扰(EMI),并使信号抗干扰能力更强。


LVDS 的工作原理

  • 差分对

    一对导线分别承载差分信号线 (Positive Signal: D+; Negative Signal: D-),这对信号线上的电压差决定逻辑状态:
    V d i f f = V D + − V D − V_{diff} = V_{D+} - V_{D-} Vdiff=VD+−VD−
    V d i f f > 0 : 逻辑 1 V_{diff} > 0 : 逻辑1 Vdiff>0:逻辑1
    V d i f f < 0 : 逻辑 0 V_{diff} < 0 : 逻辑0 Vdiff<0:逻辑0

  • 电流驱动源

    发送端的 LVDS 驱动器产生约 3.5mA 的恒定电流,并流经传输线和接收端终端电阻(通常为 100 欧姆)。


LVDS 的优点

  • 高速度、高带宽传输:适合需要大数据吞吐量的应用。
  • 低EMI:适合在噪声敏感环境中使用。
  • 长距离传输:相对于其他标准,LVDS 在信号完整性下降更慢。

LVDS 的缺点

  • PCB 布线复杂:差分对设计要求严格,必须保持对称布线,避免阻抗不匹配。
  • 器件成本较高:LVDS 收发器和接口器件相对于其他单端信号标准成本稍高。

LVDS 的应用

  • FPGA 与外部高速接口
    在 FPGA 中,通过 LVDS 连接外部器件,如 ADC/DAC、摄像头、显示屏等。
  • 高速数据总线
    常见于图像处理(如 MIPI、FPD-Link)和通信领域。

LVDS 与其他电平标准的比较

标准 特点 速度 电压摆幅 功耗
LVDS 高速、低功耗、差分传输 数 Gbps ±350mV
CMOS 单端传输,低速 百 Mbps 以下 3.3V, 1.8V 等
PECL 高速、高电流差分传输 数百 Mbps ±800mV 较高
TTL 单端传输,兼容性好 50 Mbps 以下 5V 较高
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