??? 摘? 要： 介紹LVDS技術(shù)及其在雷達(dá)系統(tǒng)" title="雷達(dá)系統(tǒng)">雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用,，應(yīng)用LVDS技術(shù)解決雷達(dá)系統(tǒng)中多信道,、高速數(shù)據(jù)的傳輸問題。
??? 關(guān)鍵詞： LVDS? 數(shù)據(jù)傳輸? PCB? 阻抗匹配
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在被稱為信息時代的今天,，為適應(yīng)信息化的高速發(fā)展,，高速處理器、多媒體,、虛擬現(xiàn)實(shí)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對信號的帶寬要求越來越大,，多信道應(yīng)用日益普及，所需傳送的數(shù)據(jù)量越來越大,，速度越來越快,。目前存在的點(diǎn)對點(diǎn)物理層接口如RS-422,、RS-485、SCSI以及其它數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn),，由于其在速度、噪聲/EMI,、功耗,、成本等方面所固有的限制越來越難以勝任此任務(wù)。在雷達(dá)領(lǐng)域,，隨著技術(shù)的發(fā)展,，新體制雷達(dá)的出現(xiàn)和普及，如DBF體制雷達(dá),、相控陣?yán)走_(dá)等,，所需處理的信號帶寬和信號通道數(shù)大幅度增加，同樣面臨著大數(shù)據(jù)量的傳輸問題,。因此采用新的技術(shù)解決I/O接口問題成為必然趨勢,，LVDS這種高速低功耗接口標(biāo)準(zhǔn)為解決這一瓶頸問題提供了可能。目前LVDS技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及,，本文結(jié)合雷達(dá)中的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)介紹LVDS技術(shù),，分析LVDS技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用前景。
1 LVDS技術(shù)介紹
LVDS(LOW VOLTAGE DIFFERENTIAL SIGNALING)是一種小振幅差分" title="差分">差分信號技術(shù),，使用非常低的幅度信號(約350mV)通過一對差分PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù),。它允許單個信道傳輸速率達(dá)到每秒數(shù)百兆比特，其特有的低振幅及恒流源" title="恒流源">恒流源模式驅(qū)動只產(chǎn)生極低的噪聲,，消耗非常小的功率,。同時，LVDS也是對高速/低功耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€多任務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn),，在ANSI/TIA/EIA-644-1995標(biāo)準(zhǔn)中被標(biāo)準(zhǔn)化,。
1.1 LVDS工作原理
圖1為LVDS的原理簡圖，其驅(qū)動器由一個恒流源(通常為3.5mA)驅(qū)動一對差分信號" title="差分信號">差分信號線組成,。在接收端有一個高的直流輸入阻抗(幾乎不會消耗電流),，所以幾乎全部的驅(qū)動電流將流經(jīng)100Ω的終端電阻在接收器輸入端產(chǎn)生約350mV的電壓。當(dāng)驅(qū)動狀態(tài)反轉(zhuǎn)時,，流經(jīng)電阻的電流方向改變,，于是在接收端產(chǎn)生一個有效的“0”或“1”邏輯狀態(tài)。
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1.2 LVDS技術(shù)的特點(diǎn)
LVDS技術(shù)之所以能夠解決目前物理層接口的瓶頸,，正是由于其在速度,、噪聲/EMI、功耗,、成本等方面的優(yōu)點(diǎn),。
1.2.1 高速傳輸能力
LVDS技術(shù)的恒流源模式低擺幅輸出意味著LVDS能高速驅(qū)動,，例如:對于點(diǎn)到點(diǎn)的連接，傳輸速率可達(dá)800Mbps;對于多點(diǎn)" title="多點(diǎn)">多點(diǎn)互連FR4背板,，十塊卡作為負(fù)載插入總線,，傳輸速率可達(dá)400Mbps。
1.2.2 低噪聲/低電磁干擾
LVDS信號是低擺幅的差分信號,。眾所周知,，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式比單線數(shù)據(jù)傳輸對共模輸入噪聲有更強(qiáng)的抵抗能力，在兩條差分信號線上電流方向及電壓振幅相反,，噪聲以共模方式同時耦合到兩條線上,。而接收端只關(guān)心兩信號的差值，于是噪聲被抵消,。由于兩條信號線周圍的電磁場也相互抵消,，故比單線信號傳輸電磁輻射小得多。而且,，恒流源驅(qū)動模式不易產(chǎn)生振鈴和切換尖鋒信號,，進(jìn)一步降低了噪聲。
1.2.3 低功耗
(1)LVDS器件是用COMS工藝實(shí)現(xiàn)的,，這就提供了低的靜態(tài)功耗;
(2)負(fù)載(100Ω終端電阻)的功耗僅為1.2mW;
????(3)恒流源模式驅(qū)動設(shè)計降低系統(tǒng)功耗,，并極大地降低了Icc的頻率成分對功耗的影響。與其相比,，TTL/COMS收發(fā)器的動態(tài)功耗相對頻率呈指數(shù)上升,。
1.2.4 節(jié)省成本
(1)經(jīng)濟(jì)的COMS工藝實(shí)現(xiàn)技術(shù);
(2)低成本實(shí)現(xiàn)高性能，對電纜,、連接器和PCB材料無苛刻要求;
(3)低能耗;
(4)TTL/COMS信號能被串行或混合到單個LVDS通道,，減少板面、層數(shù),、接插件和電纜,。
另外，由于是低擺幅差分信號技術(shù),，其驅(qū)動和接收不依賴于供電電壓,，如5V;因此，LVDS能比較容易應(yīng)用于低電壓系統(tǒng)中,，如3.3V甚至2.5V,，保持同樣的信號電平和性能。LVDS也易于匹配終端,。無論其傳輸介質(zhì)是電纜還是PCB走線,，都必須與終端匹配，以減少不希望的電磁輻射,，提供最佳的信號質(zhì)量,。通常一個盡可能靠近接收輸入端的100Ω終端電阻跨在差分線上即可提供良好的匹配,。目前LVDS技術(shù)在傳輸距離上有其局限性，一般應(yīng)用在20m以下,。
2? LVDS的典型結(jié)構(gòu)和常用產(chǎn)品
目前LVDS產(chǎn)品主要有美國國家半導(dǎo)體公司全系列的LVDS產(chǎn)品和德州儀器半導(dǎo)體司的LVDS產(chǎn)品系列,。美國國家半導(dǎo)體公司這方面更具優(yōu)勢，其產(chǎn)品主要有四種典型結(jié)構(gòu),，是目前數(shù)據(jù)傳輸和交換常用的四種方式,。
2.1 典型結(jié)構(gòu)
(1)點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)?；镜陌l(fā)送和接收結(jié)構(gòu)，用于兩點(diǎn)間固定方向信號傳輸;
(2)點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu),。廣播式總線結(jié)構(gòu)連接多個接收端到一個發(fā)送端,，常用于數(shù)據(jù)分配;
(3)多點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。多點(diǎn)互連總線使點(diǎn)到點(diǎn)之間互連降到最少,，同時提供雙向,，半雙工通訊能力，在同一時間,，只能有一個發(fā)送器工作;
(4)矩陣開關(guān)結(jié)構(gòu),。通常應(yīng)用于需要非常高的信號交換通路的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)全雙工通信,。
2.2 常用產(chǎn)品
(1)對應(yīng)點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu),，有LVDS線路驅(qū)動/接收器和LVDS串行/解串器(Channellink)系列產(chǎn)品。對于多通道,、寬帶,、大動態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，LVDS串行/解串器將是很好的解決方案,。雷達(dá)系統(tǒng)中,，分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，分系統(tǒng)內(nèi)通過背板的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用LVDS串行/解串器將大大減少電纜,、接插件以及PCB背板的復(fù)雜度,。這種產(chǎn)品在雷達(dá)系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。
(2)對應(yīng)點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,，Bus LVDS 技術(shù)能最好地適應(yīng)這些應(yīng)用,。Bus LVDS是LVDS線路驅(qū)動/接收器系列的擴(kuò)展，為多點(diǎn)應(yīng)用場合而設(shè)計,，這時總線兩端都終接電阻,。Bus LVDS驅(qū)動器提供約10mA的輸出電流，因而能被用于重負(fù)載的背板上,，那里的等效阻抗低于100Ω,，這時驅(qū)動器會有30～50Ω范圍的負(fù)載,。在一些大的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，要構(gòu)造大的高速背板,，LVDS技術(shù)是最理想的解決方案,。
3 LVDS的應(yīng)用
了解LVDS技術(shù)的特性后，下面的問題就是如何在設(shè)計中應(yīng)用好LVDS產(chǎn)品充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)點(diǎn),，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計,。這里結(jié)合華東電子所某型號雷達(dá)系統(tǒng)中LVDS技術(shù)的應(yīng)用來闡述用LVDS做設(shè)計的一些原則和技巧。
由于在系統(tǒng)中有幾十路接收通道和數(shù)字中頻接收機(jī),，數(shù)據(jù)線近500路,。如應(yīng)用傳統(tǒng)的TTL/COMS信號用雙絞線并行傳輸，則需近千根導(dǎo)線,，勢必造成系統(tǒng)和背板都很復(fù)雜,，其噪聲/EMI性能的保證令設(shè)計者頭痛，功耗也將很大,。于是筆者在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用了LVDS串行/解串器技術(shù)(Channel link產(chǎn)品),，將數(shù)據(jù)線壓縮到幾十對差分線，完成了數(shù)據(jù)傳輸,，并在多種型號雷達(dá)中成功應(yīng)用,。在選定了產(chǎn)品后，用好LVDS技術(shù)關(guān)鍵就在于PCB板的設(shè)計,。PCB布線總的原則是:阻抗匹配是非常重要的,，差分阻抗的不匹配會產(chǎn)生反射，會減弱信號并增加共模噪聲,，線路上的共模噪聲將得不到差分線路磁場抵消的好處而產(chǎn)生電磁輻射,。所以要盡量在信號離開IC后控制差分阻抗的走向，盡力保持尾端<12mm,。
3.1 PCB板差分布線的設(shè)計
側(cè)耦合的微帶線,、側(cè)耦合的帶狀線、寬邊的帶狀線都可作為很好的差分線,。根據(jù)實(shí)際情況,，應(yīng)用中選擇了側(cè)耦合的微帶線，示意如圖2,。
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布線中注意了以下幾點(diǎn):
(1)應(yīng)用微波傳輸線理論設(shè)計差分阻抗Zdiff或利用以下方程設(shè)計:
其中Z0為微帶線的特性阻抗;
(2)所布的差分線對一離開IC就盡早盡可能靠近在一起走線,，布線越近磁場的抵消就越好，有助于消除反射并保證噪聲以共模方式耦合,。也即圖2中的S越小越好,；
(3)對于差分布線不要依賴于自動布線功能，要匹配一對差分線的長度,，確保各組差分線間的間隔;并使線上過孔最少,；
(4)避免90°轉(zhuǎn)彎(以防造成阻抗不連續(xù)),，用弧線或45°斜線代替。
3.2 PCB板的設(shè)計
(1)至少用4層PCB板,，將LVDS信號,、地、電源,、TTL信號分層布局,。在實(shí)際設(shè)計中采用了8層板以盡量滿足要求;
(2)將陡的COMS/TTL信號與LVDS信號隔離，最好能布在不同層上,，并用電源和地層隔開;
(3)保持發(fā)送器和接收器盡可能靠近接插件,，連線長度愈短愈好(<1.5英寸)，以保證板上噪聲不會被帶到差分線上,，而且避免電路板及電纜線間的交叉EMI干擾;
(4)旁路每個LVDS器件,，分布式散裝電容或表貼電容放在盡量靠近電源和地線引腳處;
??? (5)電源和地線應(yīng)用寬的布線(低阻抗)，并保持地線PCB回路短而寬;
(6)終端負(fù)載用100Ω(誤差<2%)表貼電阻靠近接收器輸入端來匹配傳輸線的差分阻抗,，終端電阻到接收器輸入端的距離應(yīng)小于7mm;
(7)將所有空閑引腳開路(懸空),。
3.3 電纜和接插件的選擇
應(yīng)用中選擇了雙絞線平衡電纜,，并在外層加屏蔽;接插件選擇標(biāo)準(zhǔn)連接器,，在連接器上差分信號通常連接在一行中靠近的兩個連接腳上，示意如圖3所示,。
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總之,，應(yīng)用LVDS技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計之前，應(yīng)優(yōu)先考慮以下幾點(diǎn):
(1)必須優(yōu)先考慮電源和地在系統(tǒng)中的分布;
(2)考慮傳輸線的結(jié)構(gòu)及其布局布線;
(3)完成其余電路部分設(shè)計,，隨時觀察和修整布局,。
LVDS數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)比傳統(tǒng)的RS-232、RS-422,、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)有很大的優(yōu)越性,。在雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用LVDS技術(shù)來完成數(shù)據(jù)傳輸，將會降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度,，使系統(tǒng)有很高的可靠性,、高數(shù)據(jù)率、低噪聲/低電磁輻射和低成本,。
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