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LVDS电路的仿真与设计

时间:2007-11-16   来源:   作者:   点击:……  字体大小:【

 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。


Tags:差分信号   原理   LVDS    
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