LVDS信号耦合方式选择指南

LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）信号在设计中选择 DC耦合（直流耦合） 还是 AC耦合（交流耦合） ，主要取决于 收发端的共模电压匹配情况 、接地电位差（Ground Potential Difference） 以及 传输数据的编码方式。

以下是详细的场景对比和选型指南：

1. DC 耦合 (DC Coupling)

DC耦合是指发送端（Tx）和接收端（Rx）之间通过导线直接连接（通常中间只有0Ω电阻或磁珠），没有隔直电容。

适用场景

板级互连（同一PCB板）：
- 当Tx和Rx位于同一块PCB上，且共享同一个地平面（GND）时，通常首选DC耦合。因为没有地电位差，信号完整性更容易保证。
共模电压（Vcm）匹配：
- 发送端的输出共模电压（通常LVDS为1.2V）完全落在接收端的输入共模电压范围内（例如接收端支持0.1V~2.3V）。
- 注意： 如果Rx端是FPGA或特定ASIC，需查阅手册确认其Bank的Vcm要求。
非DC平衡信号（Non-DC Balanced）：
- 低频控制信号 或非连续翻转的数据（例如：UART、SPI over LVDS，或者长时间处于高/低电平的使能信号）。
- 如果是AC耦合，长时间不变的电平会导致电容充放电结束，接收端信号衰减到0V，导致误码。此类信号必须使用DC耦合。
极低频时钟：
- 频率非常低，无法使用常规容值的电容进行AC耦合时。

优点

电路简单，元件少。
无需关注信号的直流平衡（Encoding）。
没有低频截止频率限制。

缺点

无法隔离Tx和Rx之间的地电位差。
如果Tx和Rx供电系统差异巨大导致Vcm不匹配，可能损坏接收端或导致无法识别。

2. AC 耦合 (AC Coupling)

AC耦合是指在Tx和Rx的差分线上串联电容（通常为10nF~100nF），隔断直流分量，只传输交流信号。接收端通常需要重新建立偏置电压（Re-biasing）。

适用场景

板对板或长电缆传输（Board-to-Board / Cable）：
- 当Tx和Rx位于不同的PCB板，或者通过长电缆连接时，两端的"地"往往存在电位差（Ground Shift）。
- 原因： 地电位差会叠加在共模电压上。如果地偏移过大，DC耦合会导致输入电压超出Rx的允许范围。AC耦合可以隔离直流，消除地电位差的影响。
电平转换（Level Shifting）：
- 当Tx和Rx的共模电压标准不一致时。例如：
  - CML 转 LVDS
  - LVPECL 转 LVDS
  - 不同供电电压的LVDS（如3.3V LVDS Tx 驱动 1.8V LVDS Rx，且Rx端无法耐受高共模电压）。
- 通过AC耦合，接收端可以通过外部电阻分压网络重新建立自己所需的共模电压（Bias Voltage）。
高速串行数据（SerDes）：
- 如PCIe、SATA、SFP+接口等（虽然它们物理层不全是LVDS，但原理类似），为了保护芯片并适应不同电压标准，通常规定必须AC耦合。
热插拔保护：
- 防止连接器插拔瞬间的浪涌或直流短路损坏芯片。

使用 AC 耦合的必要前提（关键！）

DC平衡编码（DC Balanced Code）：
- 传输的数据流必须是直流平衡的（即0和1的数量长期来看是相等的），例如采用了 8b/10b 编码 、Manchester 编码 或 加扰（Scrambling）。
- 如果是时钟信号，占空比最好接近50%。
- 原因： 如果数据流中出现长连0或长连1，电容会阻碍电压维持，导致"基线漂移（Baseline Wander）"，使信号眼图闭合。
接收端偏置网络：
- AC耦合后，Rx端失去了Tx给出的1.2V共模电压。必须在Rx端（电容之后）添加上拉/下拉电阻网络，将共模电压重新偏置到Rx芯片要求的范围（通常是1.2V）。(部分FPGA或专用接收芯片内部已集成偏置电路，无需外加）。

优点

隔离地电位差，抗干扰能力强。
解决收发端电压标准不匹配问题。
提供过压/短路保护。

总结对照表

特性	DC 耦合 (直流耦合)	AC 耦合 (交流耦合)
电路结构	直接连接 (0Ω电阻)	串联电容 (0.1uF等) + Rx端偏置网络
地电位要求	Tx和Rx需共地或地电位差极小	允许Tx和Rx存在较大地电位差
共模电压(Vcm)	Tx输出必须符合Rx输入范围	独立，Rx端可自行设置所需的Vcm
数据编码要求	无要求（支持长连0/1）	必须DC平衡 (如8b/10b) 或 50%占空比时钟
典型应用	同板互连、低速控制信号、SPI/UART	板间连接、长电缆、高速SerDes、电平转换

快速决策建议

问：Tx和Rx在同一块板子上吗？
- 是 -> 优先考虑 DC耦合。
- 否（通过排线/背板/长电缆） -> 优先考虑 AC耦合。
问：传输的是时钟还是数据？
- 时钟 -> AC/DC均可（取决于地和Vcm），推荐AC以隔离噪声。
- 数据 -> 是否有编码（8b/10b）？
  - 有编码 -> AC耦合。
  - 无编码（如原生UART/SPI数据） -> 必须DC耦合。
问：Tx是3.3V供电，Rx是1.2V/1.8V供电吗？
- 如果Rx手册说Vcm range不支持1.2V -> 必须AC耦合并重新偏置。