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差分技术：LVDS（低压差分信号）、MLVDS（多点低压差分信号）的区别与应用场景

2023-05-16

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同， 相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。在电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

差分信号与传统的一根信号线一根地线（即单端信号）走线的做法相比，其优缺点分别是。
优点：

  1. 抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

  2. 能有效抑制电磁干扰（EMI）。由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，按右手螺旋定则，那他们的磁力线是互相抵消的。两根线耦合的越紧密，互相抵消的磁力线就越多。泄放到外界的电磁能量越少。

  3. 时序定位准确。差分信号的接收端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

  4. 发送端电流源始终导通，消除开关噪声带来的尖峰（单端技术中所需要）和大电流晶体管不断导通-关断造成的电磁干扰EMI。

缺点：

  1. 若电路板的面积非常吃紧，单端信号可以只有一根信号线，地线走地平面，而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小，以至于只能穿过一根走线的情况下。

LVDS：应用最广泛的差分技术

LVDS信号摆幅低，为350mv，对应功耗很低，速率达到3.125Gbps。总的来说，终接方法简单、功耗和噪声低等优点，使得LVDS成为几十Mbps至3Gbps、甚至更高的应用之首选。

Low Voltage Differential Signaling，是一种低摆幅的电流型差分信号技术。LVDS 驱动器级在一个始终开启的 3.5 mA （典型值）电流源环境中运行。需通过差分对导体以不同方向重新分配电流，便可形成总线上的逻辑 1 和 0。

                                                                                           LVDS驱动器和接收器

由于专为点对点信号传输而设计，LVDS 使用的是一种简单的端接方案。安装在接收机输入端的单个 100-ohm 电阻端接差分对，从而消除了反射。

由于高阻抗接收机输入，驱动器电流源的全部电流流经端接电阻，从而产生了一个 350 mV 额定值的低、差分总线电压。该电压在 1.2V 共模电位左右摆动，一般LVDS接收器可以承受至少±1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化，所以在+0.2V~+2.2V的宽共模范围内，接收器的阈值可以保证为100mv或更低。这个组合可提供出色的噪声裕量，对驱动器与接收器之间的共模信号漂移的容忍度也会更好。

                                                                                               LVDS输出电平

尽管低功耗、低 EMI 和高噪声抗扰度使得 LVDS 成为高速数据转换器的接口选择，但是必须运用精心的布局技术，以避免阻抗不连续和信号时延差，否则就抵消了上述 LVDS 的好处。不管使用的LVDS传输媒质是PCB线对还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发生反射，同时减少电磁干扰。LVDS要求使用一个与媒质相匹配的终端电阻(100±20Ω)，该电阻终止了环流信号，应该将它尽可能靠近接收器输入端放置。LVDS驱动器能以超过155.5Mbps的速度驱动双绞线对，距离超过10m。

MLVDS：一种可替代RS-485的高速、短距传输方案

M-LVDS将LVDS延伸到用于解决多点应用中的问题，相对于同样多点应用的RS-485和CAN技术，M-LVDS能够以更低的功耗实现更高速的通信链路。相对于LVDS，M-LVDS驱动输出强度更高，跃迁时间可控，共模范围更广且面向总线空闲条件提供故障安全接收器选项。

RS-485和MLVDS都是通过多点差分总线交换二进制数据的一种得到广泛应用的电气标准。两种技术都使用了差分信号来保证低功耗、高速和出色的抗噪声性能。

                                                                                         驱动器和接收器关键参数对比

对于要驱动信号在长电缆上传输的情况，RS-485有较高的摆幅和更宽的共模输入范围，有助于实现更远的传输距离。不过M-LVDS具有更高的速度，大大降低的功耗和EMI辐射。RS-485具有长距离传输能力，一般以电缆为传输介质，而M-LVDS则更多的在背板上传输。两种技术共享的一个应用是在长电缆上进行的点到点信号传输，100米以上推荐的是RS-485，100米以内（一般40米以内）更多考虑M-LVDS。

                           

                                                                                LVDS和M-LVDS共模电压与差分输出电压对比

M-LVDS其实是LVDS技术的延伸，除了拓扑结构外，将两者进行比较。上图显示了LVDS和M-LVDS的差分输出电压和共模范围规格。对于LVDS，在负载为100Ω的情况 下，输出电压摆幅|VOD|最小为250 mV、最大为450 mV。相较而言，M-LVDS驱动器强度更高，在负载为 50 Ω（两个100 Ω的端接电阻，总线的任意一端）的情况下，最小输出电压摆幅|VOD|为480 mV，最大值则为650mV，所以可以解决多点应用中的问题。

                                                                                    LVDS和M-LVDS的接收器阈值对比

接收器阈值是一种差分电平，高于或低于此电平时，接收的信号就会算作逻辑1或逻辑0。对于LVDS，正VOD >= +100 mV 对应于逻辑1，负VOD <= −100 mV则对应于逻辑0。 对于1类M-LVDS接收器，正VOD ≥ +50 mV对应于逻辑1，负 VOD ≤ −50 mV则对应于逻辑0。 两个电压阈值之间是跃迁区。

                   

                                                                部分典型LVDS和M-LVDS应用中的 电缆长度(双绞线)与数据速率

LVDS和M-LVDS传输距离均受两个主要因素的影响:传输介质和数据速率。
PCB走线通常允许大约几十厘米的传输距离，双绞线电缆用于LVDS时允许大约几米的传输距离，由于驱动器强度更高，M-LVDS一般能通过更长的电缆进行传输，允许几十米。更高的数据速率会极大地限制传输距离；1Gbps下的LVDS或许只能通过1米的优质电缆+额外的信号调理进行传输，但是在100 Mbps条件下传输距离可能达到10米 。

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