电平标准M-LVDS接口学习笔记

一、M-LVDS概述

1） M-LVDS:英文全称Multipoint-Low-Voltage DifferentialSignaling，中文全称：多点低电压差分信号，其主要目的是将点对点的LVDS延申用于解决多点应用问题，因此其除了LVDS的相关低功耗、差分、抗干扰等特点外，其驱动器输出的强度更高，共模范围更广。

2） M-LVDS可认为仅定义“物理层”标准，其仅定义了相关的电气特性，因此也可被其他协议标准借用为其物理层接口。

3） M-LVDS相关规范标准：TIA/EIA-899 规范。

4） 使用场景：基于LVDS的多点应用，比LVDS更强的噪声容忍，比TIA/EIA-485(RS485)或控制器局域网CAN更低的功耗、更高速的传输。

二、拓扑结构

1） 点对点（point-to-point） 拓扑特征如下图所示：

1 *LVDS驱动器、

1 *LVDS接收器、

1*LVDS差分传输介质、

1 *端接匹配电阻（ 放置接收器端 ）、

单向通信@1组传输介质 ；

适用于TIA/EIA-644 (LVDS)。

2） 多分支（multidrop） 拓扑特征如下图所示：

1 *LVDS驱动器、

N *LVDS接收器、

1*LVDS差分传输介质、

1 *端接匹配电阻（ 放置在接收器最远端 ）、

单向通信@1组传输介质 ；

适用于TIA/EIA-644-A (LVDS, REV A)，基本上与LVDS类似（因为接收器有多个，特别规定了接收器的输入端口漏电流大小，免得多个互连时漏电流太大），不特别说明了，有时候这个也简称为MLVDS。

3） 多点（multipoint）半双工拓扑特征如下图所示：

N *LVDS驱动器、

N *LVDS接收器、

1*LVDS差分传输介质（半双工总线中使用1对2根传输介质）、

2 *端接匹配电阻（ 放置在一对传输线两端 ）、

半双工双向通信@1对传输介质 ；

适用于M-LVDS (TIA/EIA-899)半双工。

4） 多点（multipoint）全双工拓扑特征如下图所示：

N *LVDS驱动器、

N *LVDS接收器、

2 *LVDS差分传输介质（全双工总线中使用2对四根传输线）、

2*2端接匹配电阻（ 2@1对传输介质两端，2对传输介质 ）、

全双工双向通信@2对传输介质 ；

适用于M-LVDS (TIA/EIA-899)全双工。

三、工作原理

M-LVDS的工作原理是基于LVDS的工作原理，原理类似，只是参数上有区别(其中恒流源可以认为大约11.3mA，2个100Ω端接电阻等效值为50Ω，则差分输出电压差为11.3 mA 50Ω=565mV，对应的LVDS则为3.5mA100Ω=350mV)，下面是LVDS的工作原理。

如上图可知，LVDS驱动端有个3.5mA的恒流源驱动，同时由4个MOS管形成了全桥开关电路，通过4个MOS管的开关，控制3.5mA恒流源输出的电流方向；而接收器端在同相和反相之间并联了一个100Ω端接电阻，通过端接电阻可产生3.5mA*100Ω=0.35V的电压压降，该压降经过接收端电平判断可形成高低电平。

依据上图的电路结构，可知LVDS是一个电流驱动型接口，需要依赖外部电阻产生电压， 如果单独测量驱动端（端口悬空）是无法测量到电压信号的 ，这与我们常规的CMOS电压驱动型信号还是有所区别的。

具体高电平产生示意如下图蓝色箭头所示，当Q1和Q3导通，Q2和Q4截止，恒流源3.5mA电流分别经过Q1、100欧端接电阻、Q3，最后经过偏置电阻到GND，接收端输入阻抗较大，则3.5mA基本全部经过100欧电阻，形成了350mV的正向电压差，即认为输出为“H”。

具体低电平产生示意如下图橙色箭头所示，当Q2和Q4导通，Q1和Q3截止，恒流源3.5mA电流分别经过Q4、100欧端接电阻、Q2，最后经过偏置电阻到GND，一般接收端输入阻抗较大，则3.5mA基本全部经过100欧电阻，形成了350mV的负向电压差，即认为输出为“L”。

四、电气特性

1）输出特性（对发送端来说）

如上图所示，对M-LVDS而言，正端输出信号VOUT+:逻辑1为高电平，逻辑0为低电平，负端输出信号VOUT-:逻辑1为低电平，逻辑0为高电平。

这里面有两个概念，一个是差模电压，一个是共模电压，其中：

M-LVDS差模电压=“VOUT+”与“VOUT-”之间的电压差，可为正，也可为负，通常以|VOD|表示；VOD按照上文的原理分析，M-LVDS一般电压差为565mV,但是在实际过程中有个范围（如下图），一般在480mV~650mV之间。

M-LVDS共模电压=“VOUT+”与“VOUT-”的中心电压，通常以VOC表示，共模电压在实际不同的芯片中也有不同,通常情况下对于2.5V/3.3V/5V供电的设备，其VOC一般为1.2V，但是对于1.8V供电的设备，其VOC一般可能为0.9V。

2）输入特性（对接收端来说）

对于接收端来说，也有同样的共模电压VIC和差分电压VID概念，接受端针对这两个特性分别有要求，其中：

M-LVDS差分电压会有个判决门限（如下图所示），正VID >= +50 mV对应于逻辑1，负VID <= −50 mV则对应于逻辑0，这种±50mV判决门限的M-LVDS为TYPE1类型M-LVDS。

需要特别说明的是，如果差分电压在两个阈值之间，则M-LVDS接收器输出为未定义态，可能为高电平或低电平，比如说M-LVDS接收器件输入端短路或者开路时。为了编码这种情况，定义了TYPE2 型M-LVDS接收器，被称为fail-safe，具体原理参照前面的这篇文章。

需要重点说的是,由前面的介绍可以知道，M-LVDS信号为电流驱动型，通常采用直流耦合的方式进行， 因此M-LVDS的发送端和接收端是需要进行共地处理的，这块尤其注意，只不过对于共地的要求不是特别高，允许两端有一定的地电势差 ，通常允许两端的地电势差在±1V之间。

3）传输线

M-LVDS传输线可以为导线，也可以为PCB走线，因为其驱动电流较LVDS更大，因此其走线长度较LVDS更长，可达20m以上，其传输速率能够达到400Mbps这样的速率，当然传输速率与传输距离是成反比的，当传输线长度20m时，速率最大200Mbps左右，准确的距离还受传输介质、阻抗匹配等影响，需要通过仿真去评估。

五、应用说明

1） 应用场景：多点半双工/全双工传输、低功耗，M-LVDS速率最高可＞400Mbps，传输距离最长可达到20m左右，但需要关注速率、传输介质与传输距离的关系等；

2） 原理图设计时，需要关注每对传输介质两端均并联端接100欧电阻，同时关注M-LVDS相关设备的共地情况，必须确保各设备的共地电势差小于1V；

3） PCB设计时，主要关注差分信号的等长、阻抗匹配，以及端接电阻两端放置，其他收发器尽量距离主传输线较近。

六、LVDS与M-LVDS对比说明

类别	参数	LVDS	M-LVDS
拓扑	拓扑	点对点	多点（最多32个）
驱动器数量	1个	多个
接收器数量	1个	多个
端接电阻	1个@接收端	2个@两端
通信方向	单向@1对传输线	半双工@1对传输线全双工@2对传输线
发送	驱动电流	3.5mA	11.3mA
差分电压VOD	350 mV250mV~450mV	565mV480mV~650mV
共模电压VOC	1.2V	1.2V
接收	判决门限	≥100mV—H≤-100mV—L	≥50mV—H≤-50mV—L@type1≥150mV—H≤50mV—L@type2
共地漂移	±1V	±1V
传输	速率	最大3.125Gbps	最大400Mbps
距离	最大10m	最大20m