LVDS电路的仿真与设计

　LVDS(Low Voltage Differential Signal)低压差分信号，最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA(Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association)的确认，成为该组织的标准（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。LVDS信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI－Express为代表的第三代I/O标准中采用。

传输线阻抗设计
　LVDS信号的电压摆幅只有350MV， 为电流驱动的差分信号方式工作，最长的传输距离可以达到10米以上。为了确保信号在传输线当中传播时，不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，其中单线阻抗为50ohms，差分阻抗100ohms。在实际应用当中，利用一些高速电路仿真分析工具，通过合理的设置层叠厚度和介质参数，调整走线的线宽和线间距，计算出单线和差分阻抗结果，来达到阻抗控制的目的。如下图，使用Mentor公司的ePlanner工具设计差分信号的布线规则，计算出单线和差分阻抗。
　　例如通过如下的层叠和布线参数设计，得到单线阻抗为58.8Ω，差分阻抗为：102Ω

  

PCB层叠参数设置和阻抗计算结果
　但是在很多时候，同时满足单线阻抗和差分阻抗是比较困难的。一方面，线宽（Width）和线间距(Separation)的调整范围会受到物理设计空间的限制，例如在BGA或直列型边缘连接器内的布线和线宽受焊盘尺寸和间距的限制；另一方面，W和S的改变都会影响到单线和差分阻抗的结果。因此，在一定的层叠条件下，了解W和S与阻抗之间的关系，对设计师设定差分布线规则就十分有意义了。利用Mentor公司的HyperLynx软件，可以很方便的计算出达到预定阻抗值的线宽和线间距关系。 

  
　这里的曲线表示在当前层叠和介质条件下，达到100ohms差分阻抗的线宽和线间距之间关系。通过这个曲线，我们可以迅速判断满足阻抗控制要求达到的物理规则。如果条件不能满足，则可以迅速改变层叠和介质参数，寻找新的结合点。

端接匹配（Termination）
　LVDS信号的拓扑可以是点到点单向，点到点双向或总线型（multi－drop）。无论哪种应用，都需要在接收端进行端接匹配。匹配值一般等于差分组抗，为100ohms。匹配电阻在这里主要起到吸收负载反射信号的作用，因此要求放置的距离接收器端尽量靠近。很多器件将100 ohms匹配做到片内，在设计时可以选择使用片内的匹配电阻，从而简化设计和PCB layout工作。但是这个片内的匹配电阻，并不在用于仿真的IBIS模型中反映出来。因此在前仿真当中，需要添加这样一个匹配电阻；在后仿真时要使用what－if分析，在接收端使用虚拟匹配。否则，LVDS信号会因为没有终端匹配，产生差模干扰，影响仿真结果。
　以下是使用Mentor公司的ePlanner仿真没有终端匹配和添加了终端匹配的LVDS信号波形。
　1. ePlanner仿真点到点单向无匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
 
 
 
　2. ePlanner仿真点到点单向匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
 
 

差分信号布线
　一般来说，按照阻抗设计规则进行差分信号布线，就可以确保LVDS信号质量。在实际布线当中，LVDS差分信号布线应遵循以下几点：

1.  差分对应该尽可能地短、走直线、减少布线中的过孔数，差分对内的信号线间距必须保持一致；避免差分对布线太长，出现太多的拐弯。
2.  差分对与差分对之间应该保证10倍以上的差分对间距，减少线间串扰。必要时，在差分对之间放置隔离用的接地过孔。
3.  LVDS差分信号信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。
4.  尽量避免使用层间差分信号。在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，层间差分信号不能保证差分线之间间距等于介质厚度，因此会造成层间差分对的差分阻抗变化。因此建议尽量使用同层内的差分。
5.  在阻抗设计时，尽量设计成紧耦合方式（即差分对线间距小于或等于线宽），差分对与差分对之间。

 
　以上为不合理的差分布线，其中：差分对拐弯太多；差分对之间间距太近；差分对跨分割；使用层间差分。

接插件的选择
　LVDS设计当中应该选用适合差分信号的高速接插件，一方面，接插件的特征参数能够与LVDS信号阻抗匹配，通过接插件的信号畸变很小；另一方面，能够提供足够的布线空间，设计PCB走线宽度和间距。例如AMP公司的Z-PACK HS3系列接插件，在电气性能方面，比较适合高速LVDS信号互连。 
 
 

　AMP 公司Z－pack HS3系列高速接插件电气特性

　在高速接插件内布线建议为以下方式，也使线宽和线间距的可调整空间较大。
 

LVDS板级系统级设计其他建议
　　1. 布线
　　A) 设置合适的PCB层叠结构，确保其他电平信号与LVDS信号的隔离。可能的话将高速的TTL/CMOS等信号与LVDS布线在不同的信号层上，并且用电源和地层隔离开来。
　　B) 差分信号对布线应该尽可能短、信号离开LVDS器件管脚之后应该尽可能靠近布线、信号线之间的间距应该保持一致。
　　C) 差分信号对布线的长度应该保持一致。
　　D) 高速差分信号对上最多使用一对过孔。
　　E) 采用45度拐弯，不能使用90度拐弯。

　　2. 匹配
　　A) 终端匹配对LVDS器件来说主要是指差分阻抗的匹配。
　　B) 在接收端的差分信号之间匹配一个100Ω左右的电阻。
　　C) 如果采用外接匹配的话，最好采用表贴无引线的厚膜电阻，封装形式为0603和0805。
　　D) 匹配电阻应该尽可能地靠近接收器。

　　3. 芯片的去耦和旁路
　　A) 关于芯片的去耦或者旁路，主要参看具体使用的元器件厂商的建议。
　　B) 每一个平面层之间都应该提供大容量的电容器来实现，通常采用10uF35V的钽电容。钽电容的额定点压不应低于5倍VCC。
　　C) VCC引脚应该用0.1uF、0.01uF、和0.001uF的云母电容或者陶瓷电容或者聚苯乙烯电容，封装形式为0805的表面贴装的片电容，该电容应该尽可能地靠近VCC引脚。

　　4. LVDS测试电缆
　　电缆可以实现LVDS信号在电路板之间或者系统之间的传递。然而由于LVDS特殊的阻抗匹配要求和极低的时序偏置要求。因而传统的电缆不能用于LVDS设计。
　　A) 电缆必须满足LVDS阻抗匹配的要求。
　　B) 电缆应该具有非常低的时序误差。
　　C) 电缆对应该严格均衡。
　　D) 尼龙电缆可以用在低速和短距离的LVDS应用中。
 
　　E) 对于长距离和高速的LVDS应用应该采用双绞线电缆。
　　F) 双芯电缆同样可以用于LVDS。双芯电缆明显优于同轴电缆。
 
　　G) 双绞线电缆性能最优。小距离（大约0.5m）的应用时CAT3均衡双绞线电缆效果最佳。而对于高于0.5m距离以及数据率大于500MHz时CAT5均衡电缆效果最好。

小结：合理的设计差分阻抗，是确保高速LVDS信号质量的前提，有效的仿真是保障。此外，系统的划分、器件选型是否合理，布线效果，平面分割等因素也是影响设计成败的关键。LVDS系统设计，需要将原型仿真，设计实现，测试手段等因素通盘考虑，才能最终获得成功。