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LVDS阻抗匹配、电磁干扰、布线建议

2016-10-11 7:34:53      点击:

LVDS阻抗匹配、电磁干扰、布线建议

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昆山杰卡诺电子有限公司
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什么是LVDS?

LVDS是高速,低电压,低功耗和低噪声的通用I / O接口标准。低电压摆幅和差分电流模式输出可以显著减少电磁干扰(EMI)。在设计一个LVDS板时需要考虑许多因素,例如差分路径,阻抗匹配,串扰和电磁干扰。

什么是差分线?

LVDS利用差动传送方式,这意味着每个LVDS信号使用两根信号线。这两根信号线之间的电压差定义了LVDS的值信号。为了在差分线上成功传输地LVDS信号,在PCB Layout时需要遵循以下规则。

为保证最小的反射和保持接收器的共模噪声抑制,差分线从驱动器出来后采用紧耦合的原则。此外,为了避免不连续性在差分阻抗,差分线之间的距离在整个布线路径上要保持不变。

■为了尽量减少偏差,LVDS差分之间走线要求等长处理。

■尽量减少过孔及其它导致信号不连续的行为。

■任何寄生负载,如电容,必须等量存在于每对差分对中。

■为了避免信号不连续,Layout时走线拐角采用圆弧或者45度走线替代90度走线。

阻抗匹配
LVDS信号属于高速信号,因而阻抗匹配显得十分重要,即便走线很短。任何不连续的差分LVDS走线都会造成信号的反射,从而降低信号的质量。这些不连续也增加了共模噪声和EMI。由于LVDS输出是电流输出模式,LVDS接收器具有很高的输入阻抗,因此需要终端电阻来构成信号环路,此时驱动器输出的电流绝大部分流过终端匹配电阻,并在该电阻上形成压差,当驱动器输出信号翻转的时将改变流经电阻的电流方向,从而产生有限的高低逻辑电平。没有该匹配电阻将不起作用。这个终端匹配电阻的值与传输线的差分阻抗一致,范围选择为90ohm到110ohm(通常选用100ohm)。

差分通道的匹配电阻需遵循以下原则

■PCB布局时终端匹配电阻尽可能靠近差分接收端(7mm以内),使用1个100ohm的电阻就可以了。

■匹配电阻的封装采用0603或者0805。

LVDS和单端信号之间的串扰

为了减少LVDS和单端信号(例如LVTTL、SSTL-3,SSTL-2,和类似的标准)之间的串扰,差分LVDS信号和单端信号要隔离开。如果LVDS信号和单端信号没有充分地彼此分开,那么单端信号将可能对差分LVDS信号产生干扰。靠近单端信号的LVDS信号线受影响比另一根信号严重,产生的差值作为共模噪声将被LVDS接收器件接收。这种干扰虽然不会造成LVDS接收器误触发,但是会降低LVDS信号的质量,从而减少了噪声容限。为了避免串扰,在同一PCB层的单端信号与LVDS信号的距离应大于12mm。如果成本考虑不大时,可以设置单独的LVDS层,使用电源层和地层来隔离LVDS信号和单端信号(例如可以采用LVDS层—电源层—地层—单端信号层的叠层设计)。

电磁干扰

电磁辐射通常是一个值得设计师关注的问题,这位该辐射可以通过横向电磁(TEM)波传播,该电磁波可以从屏蔽装置中逸出,导致系统电磁兼容性(EMC)测试失败。单端传输如CMOS或TTL,几乎所有的磁场线可以远离导线而自由辐射。其中一些磁场线可以辐射出去作为TEM波,这些磁场线可能逸出系统,从而导致EMC问题。

对于LVDS差分信号,磁场线趋向于互相抵消,而电场趋向于耦合。这些耦合的场互相限制,因而不会辐射出去。只有少数的边缘场逃出这个耦合。因此,LVDS作为一个差分传输系统,比CMOS或TTL信号产生更少的EMI。图1所示电磁场在单端信号线上产生边缘电磁场、差分信号线上产生耦合场。


图1 边缘电磁场和耦合场

LVDS信号可以使用微带线(外层)和带状线(中间层)传输。对于微带线,地层在耦合额外的磁场线下,由此限制了更多磁场线从而减少EMI影响。带状线耦合所有的磁场线,从而显著地减少EMI,但这样做也有一些弊端。

■比微带线需要更多的传输时间(典型值为1.5倍)

■需要额外的过孔

■需要更多层

■难以准确实现100欧姆差分阻抗


外层和中间层上LVDS发出的电磁场
图2外层和中间层上LVDS发出的电磁场

为了得到磁场线的最大耦合,差分对的两个导体之间的距离应保持在最低的限度。图3显示了带状线和微带线的尺寸。

 微带线和带状线的尺寸要求
图3微带线和带状线的尺寸要求

为差分对的两个导体之间的良好耦合,使S<2W,S
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