在现代电子设计中，数字信号的传输质量至关重要。尤其是在高速信号传输的应用中，从板内通信到长距离、高数据速率的传输，信号的完整性和稳定性成为设计的核心挑战。通常情况下，3.3 V 或 5 V 逻辑信号在短距离（如板内）传输时可以保持良好的性能，即使在较高的时钟频率下也不容易受到噪声或寄生电抗的影响。然而，问题通常出现在信号离开这个受保护的环境时，特别是在需要穿越长电缆或强烈电磁干扰（EMI）的环境中。

单端信号传输的局限性

单端信号通常使用一个信号线和接地线进行传输，其中信号的电压直接以逻辑高低电平的形式表示。这种方式简单且成本较低，但在信号离开电路板并穿越较长的电缆或受高EMI环境影响时，单端信号会面临以下几个问题：

• 信号衰减：信号传输过程中，由于电缆的电阻和电感，信号容易衰减。

• 噪声干扰：强电磁干扰（EMI）可能会引起信号的退化，导致数据错误或丢失。

• 串扰：长电缆中邻近的信号可能会互相干扰，导致信号完整性问题。

当数据速率提高到数百兆比特每秒（Mbps）时，尤其是在复杂系统中，单端逻辑信号可能无法有效地传输高速信号。在这种情况下，改用差分信号传输是一种常见的解决方案。

差分信号传输的优势

差分信号使用两根信号线，分别承载相反方向的信号电压。通过这种方式，差分信号能够抵抗外部噪声的干扰，并提供更高的传输速率。低压差分信号（LVDS） 就是这种技术的一个典型代表，专门设计用于高速、点对点的数字通信。

LVDS 信号的工作原理

LVDS 信号是基于差分传输原理的标准，具有以下特点：

• 低电压摆幅：LVDS 使用的是低电压摆幅信号，典型的共模电压为1.2V，而差分电压的变化范围大约为±150 mV，总幅度为300 mV。相对于传统的 3.3V 单端逻辑信号，LVDS 信号的电压变化幅度要小得多。

• 差分信号的抗噪声能力：差分信号通过两根信号线传输，接收端接收到的信号为两者之间的电压差。由于两根信号线上的噪声通常是相同的，接收端可以有效地忽略掉这种噪声干扰，从而提高信号的可靠性。

• 长距离传输能力：由于差分信号能够有效地抵抗外界噪声的干扰，因此它非常适合于长距离传输应用。

高速与低功耗的平衡

LVDS 不仅仅是一种用于改善信号完整性的传输方式，它还具有以下优点：

• 低功耗：由于差分信号的电压摆幅较小，所以相较于传统的单端信号传输，LVDS 能够显著降低功耗。LVDS 的功耗与电源电压的平方成正比，使用低电压可以有效减少功耗。

• 高速传输：低电压摆幅信号可以实现较快的电流转换，减少每次逻辑转换的时间，从而提高信号传输速率。LVDS 可以支持每秒高达1 Gbps的数据速率，适用于高速数据通信应用。

从单端到差分：技术演变与实践

LVDS 已广泛应用于需要高速、高可靠性信号传输的领域，如计算机、通信设备和高速数据采集系统。以下是将标准逻辑信号转为 LVDS 信号的一些常见方法：

1. LVDS 驱动器与接收器：通过集成电路（IC），如 LVDS 驱动器和接收器，可以将标准的逻辑信号转换为 LVDS 信号，再通过接收器将其恢复为标准逻辑信号。这种方式的最大优点是实现简便且无需复杂设计。

2. 串行器与解串器：当设备的发射器速度不够快，无法直接产生所需频率的串行数据时，串行器（serializer）和解串器（deserializer）可以结合使用。串行器将并行数据转换为串行数据，而解串器则将串行数据恢复为并行数据。通过这种方式，LVDS 可应用于更复杂的系统中，确保高速数据传输不受限制。

3. 终端电阻的使用：在 LVDS 系统中，适当的终端电阻器可以确保信号完整性，防止反射波干扰信号的传输。在设计时，通常需要在接收端安装与传输线阻抗匹配的终端电阻。

应用实例：微控制器与 LVDS

对于那些速度较慢的微控制器，它们可能无法生成所需频率的高速串行数据。在这种情况下，使用 LVDS 串行器和解串器非常有帮助。以典型的微控制器为例，数据从其并行逻辑接口输出，通过 LVDS 串行器转换为串行数据，然后通过 LVDS 接收器恢复为并行数据。此方案能够有效提高数据传输速度，并且减小电路的功耗。

总结

LVDS（低压差分信号）是一种高效、可靠的高速数字信号传输方式，特别适用于长距离和高数据速率的应用。通过其低电压摆幅和差分信号的特性，LVDS 能够显著提高信号的抗噪声能力、降低功耗并实现高速通信。无论是在现代计算机、通信设备，还是在复杂的电子系统中，LVDS 都已成为一种不可或缺的技术，为设计师提供了强大的解决方案。