LVDS电路的仿真与设计
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LVDS电路的仿真与设计
引言：随着电子设计技术的不断进步，要求更高速率信号的互连。在传统并行同步数字信号的数位和速率将要达到极限的情况下，设计师转向从高速串行信号寻找出路。HyperTansport（by AMD）， Infiniband(by Intel)，PCI-Express（by Intel）等第三代I/O总线标准（3GI/O）不约而同地将低压差分信号（LVDS）作为下一代高速信号电平标准。本文将从LVDS信号仿真、设计，测试等多方面探讨合适的LVDS信号的实现。
关键词：LVDS，阻抗控制，端接匹配
LVDS(Low Voltage Differential Signal)低压差分信号，最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA(Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association)的确认，成为该组织的标准（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。LVDS信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI－Express为代表的第三代I/O标准中采用。
传输线阻抗设计
LVDS信号的电压摆幅只有350MV， 为电流驱动的差分信号方式工作，最长的传输距离可以达到10米以上。为了确保信号在传输线当中传播时，不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，其中单线阻抗为50ohms，差分阻抗100ohms。在实际应用当中，利用一些高速电路仿真分析工具，通过合理的设置层叠厚度和介质参数，调整走线的线宽和线间距，计算出单线和差分阻抗结果，来达到阻抗控制的目的。如下图，使用Mentor公司的ePlanner工具设计差分信号的布线规则，计算出单线和差分阻抗
例如通过如下的层叠和布线参数设计，得到单线阻抗为58.8Ω，差分阻抗为：102Ω
PCB层叠参数设置和阻抗计算结果
但是在很多时候，同时满足单线阻抗和差分阻抗是比较困难的。一方面，线宽（Width）和线间距(Separation)的调整范围会受到物理设计空间的限制，例如在BGA或直列型边缘连接器内的布线和线宽受焊盘尺寸和间距的限制；另一方面，W和S的改变都会影响到单线和差分阻抗的结果。因此，在一定的层叠条件下，了解W和S与阻抗之间的关系，对设计师设定差分布线规则就十分有意义了。利用Mentor公司的HyperLynx软件，可以很方便的计算出达到预定阻抗值的线宽和线间距关系。
这里的曲线表示在当前层叠和介质条件下，达到100ohms差分阻抗的线宽和线间距之间关系。通过这个曲线，我们可以迅速判断满足阻抗控制要求达到的物理规则。如果条件不能满足，则可以迅速改变层叠和介质参数，寻找新的结合点。
端接匹配（Termination）
LVDS信号的拓扑可以是点到点单向，点到点双向或总线型（multi－drop）。无论哪种应用，都需要在接收端进行端接匹配。匹配值一般等于差分组抗，为100ohms。匹配电阻在这里主要起到吸收负载反射信号的作用，因此要求放置的距离接收器端尽量靠近。很多器件将100 ohms匹配做到片内，在设计时可以选择使用片内的匹配电阻，从而简化设计和PCB layout工作。但是这个片内的匹配电阻，并不在用于仿真的IBIS模型中反映出来。因此在前仿真当中，需要添加这样一个匹配电阻；在后仿真时要使用what－if分析，在接收端使用虚拟匹配。否则，LVDS信号会因为没有终端匹配，产生差模干扰，影响仿真结果。
以下是使用Mentor公司的ePlanner仿真没有终端匹配和添加了终端匹配的LVDS信号波形。
1. ePlanner仿真点到点单向无匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
2. ePlanner仿真点到点单向匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
差分信号布线
一般来说，按照阻抗设计规则进行差分信号布线，就可以确保LVDS信号质量。在实际布线当中，LVDS差分信号布线应遵循以下几点：
1. 差分对应该尽可能地短、走直线、减少布线中的过孔数，差分对内的信号线间距必须保持一致；避免差分对布线太长，出现太多的拐弯。
2. 差分对与差分对之间应该保证10倍以上的差分对间距，减少线间串扰。必要时，在差分对之间放置隔离用的接地过孔。
3. LVDS差分信号信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。
4. 尽量避免使用层间差分信号。在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，层间差分信号不能保证差分线之间间距等于介质厚度，因此会造成层间差分对的差分阻抗变化。因此建议尽量使用同层内的差分。
5. 在阻抗设计时，尽量设计成紧耦合方式（即差分对线间距小于或等于线宽），差分对与差分对之间。
关键词：LVDS，阻抗控制，端接匹配
LVDS(Low Voltage Differential Signal)低压差分信号，最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA(Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association)的确认，成为该组织的标准（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。LVDS信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI－Express为代表的第三代I/O标准中采用。
传输线阻抗设计
LVDS信号的电压摆幅只有350MV， 为电流驱动的差分信号方式工作，最长的传输距离可以达到10米以上。为了确保信号在传输线当中传播时，不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，其中单线阻抗为50ohms，差分阻抗100ohms。在实际应用当中，利用一些高速电路仿真分析工具，通过合理的设置层叠厚度和介质参数，调整走线的线宽和线间距，计算出单线和差分阻抗结果，来达到阻抗控制的目的。如下图，使用Mentor公司的ePlanner工具设计差分信号的布线规则，计算出单线和差分阻抗
例如通过如下的层叠和布线参数设计，得到单线阻抗为58.8Ω，差分阻抗为：102Ω
PCB层叠参数设置和阻抗计算结果
但是在很多时候，同时满足单线阻抗和差分阻抗是比较困难的。一方面，线宽（Width）和线间距(Separation)的调整范围会受到物理设计空间的限制，例如在BGA或直列型边缘连接器内的布线和线宽受焊盘尺寸和间距的限制；另一方面，W和S的改变都会影响到单线和差分阻抗的结果。因此，在一定的层叠条件下，了解W和S与阻抗之间的关系，对设计师设定差分布线规则就十分有意义了。利用Mentor公司的HyperLynx软件，可以很方便的计算出达到预定阻抗值的线宽和线间距关系。
这里的曲线表示在当前层叠和介质条件下，达到100ohms差分阻抗的线宽和线间距之间关系。通过这个曲线，我们可以迅速判断满足阻抗控制要求达到的物理规则。如果条件不能满足，则可以迅速改变层叠和介质参数，寻找新的结合点。
端接匹配（Termination）
LVDS信号的拓扑可以是点到点单向，点到点双向或总线型（multi－drop）。无论哪种应用，都需要在接收端进行端接匹配。匹配值一般等于差分组抗，为100ohms。匹配电阻在这里主要起到吸收负载反射信号的作用，因此要求放置的距离接收器端尽量靠近。很多器件将100 ohms匹配做到片内，在设计时可以选择使用片内的匹配电阻，从而简化设计和PCB layout工作。但是这个片内的匹配电阻，并不在用于仿真的IBIS模型中反映出来。因此在前仿真当中，需要添加这样一个匹配电阻；在后仿真时要使用what－if分析，在接收端使用虚拟匹配。否则，LVDS信号会因为没有终端匹配，产生差模干扰，影响仿真结果。
以下是使用Mentor公司的ePlanner仿真没有终端匹配和添加了终端匹配的LVDS信号波形。
1. ePlanner仿真点到点单向无匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
2. ePlanner仿真点到点单向匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
差分信号布线
一般来说，按照阻抗设计规则进行差分信号布线，就可以确保LVDS信号质量。在实际布线当中，LVDS差分信号布线应遵循以下几点：
1. 差分对应该尽可能地短、走直线、减少布线中的过孔数，差分对内的信号线间距必须保持一致；避免差分对布线太长，出现太多的拐弯。
2. 差分对与差分对之间应该保证10倍以上的差分对间距，减少线间串扰。必要时，在差分对之间放置隔离用的接地过孔。
3. LVDS差分信号信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。
4. 尽量避免使用层间差分信号。在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，层间差分信号不能保证差分线之间间距等于介质厚度，因此会造成层间差分对的差分阻抗变化。因此建议尽量使用同层内的差分。
5. 在阻抗设计时，尽量设计成紧耦合方式（即差分对线间距小于或等于线宽），差分对与差分对之间。
引言：随着电子设计技术的不断进步，要求更高速率信号的互连。在传统并行同步数字信号的数位和速率将要达到极限的情况下，设计师转向从高速串行信号寻找出路。HyperTansport（by AMD）， Infiniband(by Intel)，PCI-Express（by Intel）等第三代I/O总线标准（3GI/O）不约而同地将低压差分信号（LVDS）作为下一代高速信号电平标准。本文将从LVDS信号仿真、设计，测试等多方面探讨合适的LVDS信号的实现。
关键词：LVDS，阻抗控制，端接匹配
LVDS(Low Voltage Differential Signal)低压差分信号，最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA(Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association)的确认，成为该组织的标准（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。LVDS信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI－Express为代表的第三代I/O标准中采用。
传输线阻抗设计
LVDS信号的电压摆幅只有350MV， 为电流驱动的差分信号方式工作，最长的传输距离可以达到10米以上。为了确保信号在传输线当中传播时，不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，其中单线阻抗为50ohms，差分阻抗100ohms。在实际应用当中，利用一些高速电路仿真分析工具，通过合理的设置层叠厚度和介质参数，调整走线的线宽和线间距，计算出单线和差分阻抗结果，来达到阻抗控制的目的。如下图，使用Mentor公司的ePlanner工具设计差分信号的布线规则，计算出单线和差分阻抗
例如通过如下的层叠和布线参数设计，得到单线阻抗为58.8Ω，差分阻抗为：102Ω
PCB层叠参数设置和阻抗计算结果
但是在很多时候，同时满足单线阻抗和差分阻抗是比较困难的。一方面，线宽（Width）和线间距(Separation)的调整范围会受到物理设计空间的限制，例如在BGA或直列型边缘连接器内的布线和线宽受焊盘尺寸和间距的限制；另一方面，W和S的改变都会影响到单线和差分阻抗的结果。因此，在一定的层叠条件下，了解W和S与阻抗之间的关系，对设计师设定差分布线规则就十分有意义了。利用Mentor公司的HyperLynx软件，可以很方便的计算出达到预定阻抗值的线宽和线间距关系。
这里的曲线表示在当前层叠和介质条件下，达到100ohms差分阻抗的线宽和线间距之间关系。通过这个曲线，我们可以迅速判断满足阻抗控制要求达到的物理规则。如果条件不能满足，则可以迅速改变层叠和介质参数，寻找新的结合点。
端接匹配（Termination）
LVDS信号的拓扑可以是点到点单向，点到点双向或总线型（multi－drop）。无论哪种应用，都需要在接收端进行端接匹配。匹配值一般等于差分组抗，为100ohms。匹配电阻在这里主要起到吸收负载反射信号的作用，因此要求放置的距离接收器端尽量靠近。很多器件将100 ohms匹配做到片内，在设计时可以选择使用片内的匹配电阻，从而简化设计和PCB layout工作。但是这个片内的匹配电阻，并不在用于仿真的IBIS模型中反映出来。因此在前仿真当中，需要添加这样一个匹配电阻；在后仿真时要使用what－if分析，在接收端使用虚拟匹配。否则，LVDS信号会因为没有终端匹配，产生差模干扰，影响仿真结果。
以下是使用Mentor公司的ePlanner仿真没有终端匹配和添加了终端匹配的LVDS信号波形。
1. ePlanner仿真点到点单向无匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
2. ePlanner仿真点到点单向匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
差分信号布线
一般来说，按照阻抗设计规则进行差分信号布线，就可以确保LVDS信号质量。在实际布线当中，LVDS差分信号布线应遵循以下几点：
1. 差分对应该尽可能地短、走直线、减少布线中的过孔数，差分对内的信号线间距必须保持一致；避免差分对布线太长，出现太多的拐弯。
2. 差分对与差分对之间应该保证10倍以上的差分对间距，减少线间串扰。必要时，在差分对之间放置隔离用的接地过孔。
3. LVDS差分信号信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。
4. 尽量避免使用层间差分信号。在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，层间差分信号不能保证差分线之间间距等于介质厚度，因此会造成层间差分对的差分阻抗变化。因此建议尽量使用同层内的差分。
5. 在阻抗设计时，尽量设计成紧耦合方式（即差分对线间距小于或等于线宽），差分对与差分对之间。
关键词：LVDS，阻抗控制，端接匹配
LVDS(Low Voltage Differential Signal)低压差分信号，最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA(Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association)的确认，成为该组织的标准（ANSI/TIA/EIA-644 standard）。LVDS信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI－Express为代表的第三代I/O标准中采用。
传输线阻抗设计
LVDS信号的电压摆幅只有350MV， 为电流驱动的差分信号方式工作，最长的传输距离可以达到10米以上。为了确保信号在传输线当中传播时，不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，其中单线阻抗为50ohms，差分阻抗100ohms。在实际应用当中，利用一些高速电路仿真分析工具，通过合理的设置层叠厚度和介质参数，调整走线的线宽和线间距，计算出单线和差分阻抗结果，来达到阻抗控制的目的。如下图，使用Mentor公司的ePlanner工具设计差分信号的布线规则，计算出单线和差分阻抗
例如通过如下的层叠和布线参数设计，得到单线阻抗为58.8Ω，差分阻抗为：102Ω
PCB层叠参数设置和阻抗计算结果
但是在很多时候，同时满足单线阻抗和差分阻抗是比较困难的。一方面，线宽（Width）和线间距(Separation)的调整范围会受到物理设计空间的限制，例如在BGA或直列型边缘连接器内的布线和线宽受焊盘尺寸和间距的限制；另一方面，W和S的改变都会影响到单线和差分阻抗的结果。因此，在一定的层叠条件下，了解W和S与阻抗之间的关系，对设计师设定差分布线规则就十分有意义了。利用Mentor公司的HyperLynx软件，可以很方便的计算出达到预定阻抗值的线宽和线间距关系。
这里的曲线表示在当前层叠和介质条件下，达到100ohms差分阻抗的线宽和线间距之间关系。通过这个曲线，我们可以迅速判断满足阻抗控制要求达到的物理规则。如果条件不能满足，则可以迅速改变层叠和介质参数，寻找新的结合点。
端接匹配（Termination）
LVDS信号的拓扑可以是点到点单向，点到点双向或总线型（multi－drop）。无论哪种应用，都需要在接收端进行端接匹配。匹配值一般等于差分组抗，为100ohms。匹配电阻在这里主要起到吸收负载反射信号的作用，因此要求放置的距离接收器端尽量靠近。很多器件将100 ohms匹配做到片内，在设计时可以选择使用片内的匹配电阻，从而简化设计和PCB layout工作。但是这个片内的匹配电阻，并不在用于仿真的IBIS模型中反映出来。因此在前仿真当中，需要添加这样一个匹配电阻；在后仿真时要使用what－if分析，在接收端使用虚拟匹配。否则，LVDS信号会因为没有终端匹配，产生差模干扰，影响仿真结果。
以下是使用Mentor公司的ePlanner仿真没有终端匹配和添加了终端匹配的LVDS信号波形。
1. ePlanner仿真点到点单向无匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
2. ePlanner仿真点到点单向匹配LVDS信号，信号频率为777MHz.
差分信号布线
一般来说，按照阻抗设计规则进行差分信号布线，就可以确保LVDS信号质量。在实际布线当中，LVDS差分信号布线应遵循以下几点：
1. 差分对应该尽可能地短、走直线、减少布线中的过孔数，差分对内的信号线间距必须保持一致；避免差分对布线太长，出现太多的拐弯。
2. 差分对与差分对之间应该保证10倍以上的差分对间距，减少线间串扰。必要时，在差分对之间放置隔离用的接地过孔。
3. LVDS差分信号信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。
4. 尽量避免使用层间差分信号。在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，层间差分信号不能保证差分线之间间距等于介质厚度，因此会造成层间差分对的差分阻抗变化。因此建议尽量使用同层内的差分。
5. 在阻抗设计时，尽量设计成紧耦合方式（即差分对线间距小于或等于线宽），差分对与差分对之间。
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