LVDS 高速I/O 接口电路设计分析

余 罗 电子科技大学 四川成都 610054

【文章摘要】

LVDS 高速I/O 接口电路可以提高数据的传输速率且保持较低功耗。本文利用LVDS 电路的基本原理完成一个接口电路设计，反应了LVDS 的传输优势。基于MOS 管的原理设计了电路参数，进行了仿真。

【关键词】

驱动器原理；电路设计；接收电路； 参数计算

0 引言

随着电子技术的不断升级，数据传输率也得到相应提高，这就对信号质量以及抗干扰的性能提出了更高的要求。低压差分信号技术也随之进入数据传输的领域。其低电压、低功耗以及有利于高速传输的技术特征使之逐步成为高速率传输网络的接口标准。虽然目前很多电路都已经选择了TTL 技术的电平标准，但二者之间需要进行配合，进而设计对应的电路完成接口的融合与转换。

1 LVDS 信号特征分析

所谓的LVDS 信号是美国公司研究发现的，一种高速的串行信号传输电平，其利用差分线对信号进行传输，这样就可以消除线路中共模噪声的影响，可以更加有效的抑制线路中的干扰。因为两根线路信号极性相反，所以其对外的电磁辐射会随之降低，泄露的能量也相应减少。其时序定位精确，差分信号在交点处进行转换，受工艺温度影响较低，可以减少误差。此外LVDS 的功率低，其采用电流驱动模式，在很大程度上降低的了整个系统的功率消耗。

2 LVDS 阻抗配置

LVDS 信号电压摆幅很小，仅为350mv，使用电流驱动的差分信号方式。为了保证信号传输不受反射影响，对传输的线路应匹配适当的阻抗。通常差分信号的阻抗设置为100Ω 左右，在实际的线路设置中，不能仅仅考虑与单根线阻抗的关系，还应考虑耦合系数的影响，所以线路宽度和间距都是需要考虑的。根据相关的计算与仿真可以得到这样一个结论：当线宽为10m，铜皮厚度1.2m，差分线间距8m 时，频率增加10 倍，阻抗增加1.25 倍。在线路设计中应考虑这样的问题。

3 LVDS 电路接I/O 电路设计

3.1 基本原理

LVDS 驱动线路可以有多种结构，常见的包括单电源模式、双电流电源和电压模式。单电流源模式需要较大的电阻，如果采用传输逻辑实现电压驱动，需要复杂的电路对电压进行修正。因此在设计中可以选择双电流源模式进行驱动。电路如图：

图1 ：LDVS 原理图

双电流源模式的电阻需求较小，可以方便的提供恒定电流，相对稳定。双电流源模式，对PMOS 管以及NMOS 管进行分别设置，形成两个电流镜（M1、M2、M3、M4）。通过适当的调节可以保证电流输出稳定在3.5mA。M2 和M4、R 组成偏置电路产生偏置电流，然后通过电流镜映射到M1 和M3 端，为驱动电路提供电流。如果in1 是高电平则M5、M8 导通，M6、M7 阻断。电流从M5 通过，从out1 输出，经过电阻控制后再从out2 输入，进入M8 后经过M3，形成一个回路。这样驱动电路输出端out1 和out2 上的电流相反，形成一个差分信号。

3.2 电路模型构建和分析

按照前面的分析，M2 和M4 提供偏置电流，如果要保证电流经过电阻R 的电流与偏置电流一致，并控制其参数，根据电流镜的原理，只需要对M1 的宽度进行调整，设置为M2 的3.5 倍。如果此时Ir=1 则驱动电路工作电流为3.5mA。同时设定电阻R=200Ω，并确定M2 和M4 宽长比一致，设定二者漏极电流就可获得其相对应的电压。

为了获得稳定的工作电流3.5mA，设计要求M1 和M3 的漏极电流为3.5mA。根据电流镜的工作原理，可以得到各个关键位置的基本参数。获得相关的M2 和M4 的比值。在电路输出后，为了保证反转时性能的稳定，M5-M8 管应保持参数一致。所以计算其中一个即可获得其他的参数。在电流导通的时候M5 是非饱和状态，因此在输出时LVDS 的高电压为1.25V，同时电流源的电流为3.5mA，所以MOS 开关启动的时候，漏流为3.5mA，而Vds 则很小，为100mA。经过计算可以得到M5 的宽长比。实际中往往取值较大，因为这样可以减少沟道电阻，加快电平的转换速度。通过仿真可以对LVDS 的驱动器进行修正，最终获得各个MOS 管的尺寸、电阻和电容等，提高电路的性能。

4 LVDS 接受设计

在设计中电路的核心部分是接受电路，电路图如下，in1 和in2 为LVDS 输入信号，经过运算和放大后，经由反向器输出。

按照电流镜的基本原理其中M3 和M4 的参数一致。此时Id3 为主导，Id4 随其发生改变，且二者相等。如果in1 和in2 相同，此时Id1=Id2 ；Id3=Id4. 从而Id4=Id1=Id2，Iout 为零。如果输入的差分信号为共模则电流为零。如果输入信号中in1 大于in2 则PMOS 将发挥作用，此时电流只能从out 端流出，而Iout 大于零。相反则出现Iout 小于零的情况，输入的LVDS 信号直接会导致Iout 的改变。按照差分放大器的各种性能要求，利用相关公式即可获得相关技术参数，各个点位的电压和电流，如图2 中所示。

5 结束语

按照上述分析，对电路进行仿真，从仿真结果来看，电路的设计达到了预期的要求。

【参考文献】

[1] 易敏, 苏淑靖. 基于LVDS 的高可靠性数据传输设计[J]. 微电子学与计算机,2014/09:131-132.

[2] 任伟, 张彦军, 白先民. 基于LVDS 的高速数据传输装置的设计[J]. 科学技术与工程,2012/29:7760-7761.

图2 ：LVDS 接收电路图006