电流驱动和电压驱动的区别

理解电流驱动和电压驱动的区别对电路设计至关重要，尤其在高速、高抗噪要求的场景（如LVDS）。以下是两者的核心对比：

一、电压驱动 (Voltage Drive)

核心原理： 驱动器输出一个受控的电压 （与负载阻抗无关），目标是维持设定的电压值。电流由负载阻抗（根据欧姆定律 I = V / R）决定。
信号源模型： 近似为一个理想电压源 串联一个小的输出电阻 Rout。
工作方式：
- 驱动器试图在输出端保持特定的电压电平（如 0V 表示逻辑0，3.3V 表示逻辑1）。
- 当负载变化时，驱动器通过调整输出电流来尽力维持这个电压。
- 输出电流 Iout = (Vsource - Vload) / Rout，其中 Vload = Iout * Rload。
典型应用：
- TTL/CMOS 逻辑门：输出固定的高/低电压电平。
- RS-232 串口：驱动±12V 电压信号。
- 电源（LDO）：提供稳定电压输出。
- 传统并行总线
特点：
- ✅ 结构简单直观，控制电压方便。
- ❌ 抗噪声能力相对弱：
  - 单端传输时，地噪声或串扰会直接影响接收端检测到的电压。
  - 电压易受传输线阻抗不连续导致的反射影响。
- ❌ 功耗相对高：
  - 电压摆幅大（如 CMOS 从 0V 到 3.3V），动态功耗 (C * V² * f) 较高。
- ❌ EMI 较高： 大的电压跳变产生更强的电场辐射。
- ❌ 速度受限： 大电压摆幅需要更长的上升/下降时间，且易受容性负载影响。

二、电流驱动 (Current Drive)

核心原理： 驱动器输出一个受控的电流 （与负载阻抗无关），目标是维持设定的电流值。负载两端的电压由负载阻抗决定 (V = I * R)。
信号源模型： 近似为一个理想电流源并联一个大的输出阻抗。
工作方式：
- 驱动器输出一个预设的恒定电流（如 LVDS 的 3.5mA）。
- 电流流过负载电阻（如 LVDS 接收端的 100Ω 终端电阻），在电阻上产生所需的电压差 (Vdiff = I * Rterm)。
- 当负载阻抗变化时，驱动器调整输出电压以维持恒定电流。
典型应用：
- LVDS, CML (Current Mode Logic)：高速差分信号传输。
- LED 恒流驱动：稳定亮度。
- 电流环 (4-20mA)：工业传感器抗干扰传输。
- 高速 DAC/ADC 接口。
特点：
- ✅ 卓越的抗噪声能力（尤其差分）：
  - 接收端检测电流产生的电压差（如 LVDS）。
  - 共模噪声抑制： 同时作用于两根线的噪声几乎不影响电压差。
- ✅ 更低的 EMI：
  - 电流恒定，电压摆幅小（如 LVDS 仅 350mV），辐射能量低。
  - 差分电流产生的磁场相互抵消。
- ✅ 低功耗： 小电流 (I) + 小电压差 (V)，动态功耗 (I * V * f) 低。
- ✅ 高速潜力大：
  - 小电压摆幅缩短开关时间。
  - 恒流源对容性负载驱动能力强，上升沿陡峭。
- ❌ 设计更复杂（需精确电流源和终端匹配）。
- ❌ 单点故障可能导致电流通路中断。

三、关键对比总结

特性	电压驱动	电流驱动
控制目标	输出电压 (`V`)	输出电流 (`I`)
负载影响	电流随负载阻抗变化 (`I=V/R`)	电压随负载阻抗变化 (`V=I*R`)
抗噪声	较弱（单端）	强（尤其差分）
EMI	较高	低
功耗	相对较高	低
速度	受限（电压摆幅大）	高（电压摆幅小）
复杂度	简单	较复杂
典型接口	TTL, CMOS, RS-232	LVDS, CML, 4-20mA

四、为什么 LVDS 选择电流驱动？

LVDS 的核心需求是 高速、低功耗、高抗噪、低 EMI，电流驱动完美契合：

恒定电流 (3.5mA) 流过 终端电阻 (100Ω) → 产生稳定的小压差 (350mV)，实现低摆幅。
差分电流路径 → 天然抑制共模噪声。
小电流 + 小压差 → 功耗和 EMI 极低。
电流源驱动容性负载能力强 → 支持 GHz 级速率。

💡 关键洞察： 电流驱动的优势在差分架构中才能最大化发挥。单端电流驱动（如 4-20mA）虽抗噪好，但速度远低于差分。

五、终端电阻的关键作用（电流驱动核心）

在 LVDS 等电流驱动系统中，终端电阻 Rterm 必不可少：

电流→电压转换器： Vdiff = I * Rterm。
阻抗匹配： 阻值等于传输线差分阻抗（通常 100Ω），吸收信号反射，保证信号完整性。
定义信号电平： 阻值精度直接影响电压幅值。

六、现代芯片的"伪电流源"设计

实际芯片中，纯理想电流源难以实现。LVDS 驱动器常采用 "带限流电阻的电压源" 等效为电流源：

内部电压源串联一个较大电阻 (Rout)。
当 Rout >> Rterm 时，输出电流近似恒定：I ≈ Vint / (Rout + Rterm) ≈ Vint / Rout（因 Rout >> Rterm）。

总结选择依据：

需要速度、抗噪、低功耗 → 电流驱动 + 差分 (如 LVDS, Ethernet PHY)。
简单控制电压电平 → 电压驱动 (如 GPIO, 数字逻辑控制)。