一、LVDS的定義與核心特性
LVDS（低壓差分信號）是一種?低功耗、高速、抗干擾?的差分信號傳輸技術，通過一對互補的電壓信號（正負端差值）傳遞數據。其核心特性包括：
-
電氣特性
-
電壓擺幅：差分電壓約?350mV（典型值），單端電壓擺幅±1.25V（共模電壓約1.2V）。
-
驅動電流：恒定3.5mA（通過100Ω終端電阻產生差分電壓）。
-
傳輸速率：支持?100Mbps~10Gbps+（依具體標準優化）。
-
-
技術優勢
-
抗共模噪聲：差分信號抵消共模干擾，適合長距離和噪聲環境。
-
低功耗：靜態電流極低，動態功耗隨頻率線性增長（比CMOS低50%以上）。
-
高速能力：邊沿速率快（<1ns），支持GHz級數據傳輸。
-
電磁兼容性（EMI）：低電壓擺幅和平衡信號減少電磁輻射。
-
-
與單端信號的對比
特性 LVDS 單端信號（如LVCMOS） 抗干擾能力 極強（依賴差分抵消） 弱（易受地彈/串擾影響） 傳輸距離 長（可達10米@1Gbps） 短（通常<0.5米@1Gbps） 功耗 低（恒定電流源） 較高（隨電壓擺幅和頻率增加） PCB復雜度 高（需嚴格差分對布線） 低（單線布局簡單）
二、硬件設計中需要用到LVDS的場景
1. 高速數據傳輸接口
-
SerDes（串行器/解串器）鏈路：
-
FPGA/ASIC間通過LVDS實現多通道高速互聯（如Xilinx GTX/GTH收發器）。
-
案例：JESD204B接口（用于ADC/DAC與FPGA間數據傳輸，速率達12.5Gbps）。
-
-
板間高速互聯：
-
背板連接器（如VPX、PCIe）采用LVDS傳輸高速數據（如10Gbps背板以太網）。
-
2. 顯示技術
-
顯示屏接口：
-
FPD-Link：汽車中控屏與主控芯片通過LVDS傳輸視頻信號（如TI DS90C187）。
-
eDP（Embedded DisplayPort）：筆記本內屏接口（支持4K@60Hz）。
-
-
工業攝像頭：
-
Camera Link：工業相機通過LVDS傳輸高分辨率圖像數據（如Basler ace系列）。
-
3. 通信與網絡設備
-
光纖模塊接口：
-
SFP+/QSFP+光模塊的電氣接口采用LVDS（如10Gbase-KR的XFI接口）。
-
-
無線基站：
-
CPRI（通用公共無線電接口）通過LVDS連接基帶單元（BBU）與射頻單元（RRU）。
-
4. 存儲與計算系統
-
高速存儲器接口：
-
DDR內存的DQS（數據選通信號）采用類LVDS設計（如LPDDR4的WCK差分時鐘）。
-
-
AI加速卡互聯：
-
NVIDIA NVLink使用LVDS衍生技術實現GPU間高速數據交換（300GB/s+）。
-
5. 汽車電子
-
車載網絡：
-
車載以太網（1000BASE-T1）：PHY層采用LVDS技術，支持1Gbps傳輸。
-
ADAS傳感器：毫米波雷達（如TI AWR1843）通過LVDS輸出原始數據。
-
6. 測試與測量設備
-
高速數據采集：
-
示波器（如Keysight Infiniium）的觸發和時鐘信號使用LVDS保證時序精度。
-
三、LVDS電平的具體應用案例
-
FPGA高速數據采集系統
-
場景：Xilinx Kintex-7 FPGA通過LVDS接口連接14位ADC（AD9643），實現500MSPS采樣。
-
設計要點：
-
ADC輸出采用LVDS格式（DCLK+/DCLK-，DATA+/DATA-）。
-
FPGA端配置SelectIO接口，設置差分終端電阻（100Ω±1%）。
-
-
-
工業相機圖像傳輸
-
場景：Basler ace 2相機通過Camera Link接口（LVDS）輸出2048×1536@120fps圖像。
-
設計要點：
-
使用屏蔽雙絞線（如MDR26連接器），線長≤10米。
-
在接收端（如FPGA）添加共模扼流圈（CMC）抑制共模噪聲。
-
-
-
汽車中控屏驅動
-
場景：特斯拉Model 3中控屏通過FPD-Link III（LVDS衍生標準）接收視頻信號。
-
設計要點：
-
差分對走線長度匹配（±5mil），避免時序偏移。
-
電源隔離設計（如使用ADuM4160隔離器）防止地環路干擾。
-
-
四、LVDS設計注意事項
-
PCB布局關鍵點
-
差分對布線：
-
保持差分對等長（長度偏差<5mil）、等距（間距一致）。
-
避免過孔（若必須使用，對稱打孔并確保參考層完整）。
-
-
阻抗控制：
-
差分阻抗通常為100Ω（FR4板材，線寬/間距依疊層計算）。
-
-
-
終端匹配
-
端接電阻：在接收端放置100Ω±1%電阻（精度影響信號完整性）。
-
交流耦合：高速鏈路（如PCIe）需串聯0.1μF電容，隔離直流偏置。
-
-
電源與接地
-
電源去耦：LVDS驅動器電源引腳就近放置0.1μF+10μF電容。
-
地平面完整性：避免差分對跨越地平面分割縫，確保回流路徑連續。
-
-
EMC設計
-
屏蔽與濾波：
-
差分對使用帶狀線層疊結構，兩側參考地層。
-
在連接器處添加π型濾波器（如10nF電容+磁珠）。
-
-
五、LVDS的衍生標準
-
MIPI D-PHY：
-
手機攝像頭（CSI-2）和顯示屏（DSI）接口，基于LVDS改進（如HS模式速率達2.5Gbps/lane）。
-
-
PCI Express：
-
物理層采用LVDS技術（8b/10b編碼），Gen4速率16GT/s。
-
-
USB4/Thunderbolt：
-
基于LVDS的PAM4調制，支持40Gbps傳輸。
-
六、總結
LVDS憑借其?高速、低功耗、強抗干擾?特性，成為高速數字系統設計的核心電平標準，覆蓋從消費電子到工業控制的廣泛場景。其設計關鍵在于?嚴格的差分對控制、終端匹配及EMC優化。隨著技術演進，LVDS正通過PAM4調制、硅光集成等創新，向?更高速率（56Gbps+）?和?更低功耗?方向突破，持續推動5G、AI和自動駕駛等領域的技術邊界。
