原创 【转】LVDS在显示接口应用中的特点和发展趋势

摘要：显示接口技术是笔记本电脑的重要技术，直接关系到笔记本电脑的功耗、体积、重量和显示效果等最关键的特性。在笔记本电脑显示技术中，LVDS已经成为该行业的事实标准。本文对该标准的特点和发展趋势进行介绍。

LVDS最初是作为高功率ECL线驱动的替代技术而发展起来的。通过降低功率可以提高ECL的有限特性，如普通电源供电、高集成度与低成本IC封装的兼容性等。LVDS是在ANSI/TIA/EIA-644-A中定义的开放标准，可以抑制高达±1V的共模噪声，这种噪声可能是耦合噪声，也可能是总线节点之间接地零电平的差值引起。LVDS的差分特性使其具有很强的噪声容限，不需要对驱动器和接收器的电源电压作任何限制，所以经常看到驱动端采用5V供电而接收端采用3.3V的设计。后来，美国国家半导体公司(NSC)和日本几家笔记本电脑生产商合作，定义了FPD-Link标准，并生产出样片。该组样片一面市即获得成功，使XGA显示成为可能。据估计，采用XGA分辨率或更高标准的笔记本电脑95%都采用了LVDS接口。

FPD-Link为何能成功呢？在SVGA级的显示器刚问世时，显示屏所需要的像素带宽大概在720Mbps左右，当时采用CMOS单端总线，包括18位数据线和三位控制信号线以及一位时钟信号。要在笔记本电脑中实现22位总线并不容易，同时由于3V或5V的供电电压以及传输线负载的原因，功耗很高。另外，由于采用单端传输方式，其噪声容限低。而因为电压摆幅、输出电流幅度以及传输线路的缘故，其EMI高。一般需要外加电阻、电容来降低EMI干扰，但是这会占用主板空间，增加系统成本。增加总线宽度来提高传输速率的传统办法已经不能适应市场的发展。

随着笔记本电脑向薄小的趋势发展，从主板到显示器的总线也要求越来越窄。采用FPD-Link则能解决这个矛盾，LVDS芯片组将18位的RGB信号和控制信号及时钟转换为3对LVDS数据和时钟。该方式有几大优点：总线由原来的22根变到现在的8根线，而对于主板来说，可以取消以前要用的电阻和电容，降低了成本和PCB空间。在显示器上，FPD-Link接收电路将接收到的串行信号进行并行处理，恢复像素数据和向时序控制器 (TCON)提供控制信号。FPD-Link器件的功能框图见图1。另外，LVDS也逐渐演进为LDI标准。该标准由NSC及TI于1998年6月向VESA组织提出，LDI更进一步加强了FPK-Link的传输速率及线驱动能力，支持的像素速率由原来的65MHz提高到112MHz，而LDI芯片也设计为双像素器件，这意味着该芯片具有8条串行通道，可支持48位的像素，通道数加倍，带宽加倍。较高的时钟和双像素特点可以支持高达5Gbps的传输率，因而能支持XGA、SXGA、USCA、HDTV，甚至QXGA平板显示器。LDI芯片组的功能框图见图2。

其它芯片增强功能包括用户可选的预加重、数据净载荷的直流均衡、相位校正等。这些功能可以使传输距离达到10米，在XGA的某些应用中甚至可以达到20米。

预加重处理可以提高输出电流，抵消长电缆线传输中所造成的低通效应，在电缆远端的接收器中可以看到张得很开的眼图。预加重不会占用任何总线带宽，每个数据位仍然传输一个像素位或控制信息。

对于长度超过5米的长电缆还可采用直流均衡处理来改善传输特性。通过直流均衡处理可以避免信号传输的码间干扰(ISI)，使眼图不会闭合(即码间干扰小)。否则，如果传输长串的“1”或“0”时，在电缆的电容效应作用下，当从信号状态转换时将很难迅速达到接收器要求的门限电平。发送器通过比较发送数据帧和已发帧监测数据。对于接收端的解码则很简单，通过检测一个标志位确定是否采用了直流均衡，并将数据恢复到最初的序列状态。

直流均衡也能使长电缆远端信号的眼图张开，但代价是标志位不能再用作传输像素信号，因此每7位中只有6位用作传输有效信号，效率达到86%。而LDI(在不使用直流均衡的情况下)和FPD-Link每7位就传送7位有效信息，所以可以达到100%的效率。采用其他的方法效率更低，如8位/10位(每10位只能传送8位有效信息)的传输方式，效率只有80%。

在许多长距离连接中，常采用具有成本低、线材尺寸小以及布线灵活等优点的双绞线。双绞线通常只有一层屏蔽，但双绞线传输存在信号相位失真的问题，这个失真定义为电缆两条线的长度差值的函数，中心线对比外围的线对长，这将影响将串行数据转换为并行数据的正确性。对于不同的系统，FPD-Link的时钟和数据线的相位差应保持在200ps到400ps之间，这对于笔记本电脑12英寸左右的连接长度是足够的，甚至还能满足连线长达几米的应用中。在直流均衡模式下，LDI芯片组能自动实现在空闲间隙修正信号相位失真，最高可以达到±1位时间的相位差。这对于采用长达5米的低成本双绞线很有用。

LVDS与TMDS的比较

FPD-Link和LDI使用的LVDS物理层与DVI接口使用的TMDS最小跃迁差分信号(Transition Minimized Differential Signaling)物理层相比容易产生混淆，要注意以下几点的差别。

a 输出驱动器的差别

LVDS是推挽式的电流驱动器，电流从电缆的一端流入，从另一端流回，因此在一对双绞线中，电流大小相等，方向相反，这种设计可以用来驱动双绞线、双轴线等，产生的电磁干扰(EMI)较小。TMDS虽然也是差动式的设计，但是电流在两端之间流动，其中直流电流只在线对的一边流动，因此要注意电源线与地线靠近，这样可以减小EMI。所以一般建议在双轴电缆的每对线上使用屏蔽层来屏蔽EMI，同时也提供了一个返回通路。屏蔽层增加了电缆的成本。

b 绞线对数和屏蔽方式

对于每个像素6位的应用中，如果用LDI或FPD-Link接口则需要3对数据线和一条时钟线，而用DVI也需要三对数据线加上一条时钟线。

对于每个像素8位的应用中，采用LDI或FPD-Link接口需要4对数据线加时钟线，而使用DVI只需要3对数据线加时钟。

在8位双像素的应用中，使用LDI接口需要8对数据线和时钟，而采用DVI只要6对数据线加时钟信号(如果采用双IC则需要两个时钟信号)。

对于不同的应用，DVI和LDI用相同的电缆线对数或前者比后者少1到2对。但电缆成本并不仅与线对数目有关，线的结构以及屏蔽层数量都直接影响成本。由于双轴电缆每一对线都需要一个屏蔽层，所以在LVDS中使用双绞线比使用双轴电缆便宜。

c 单时钟周期内数据的位数

每一时钟周期内传输的数据位数越低，则表示数据位宽度越宽，IC对较宽数据位处理时具有更大的采样余量，以及更大的电压和温度容限。此外，信号频率低，噪声频率也低，功耗也小。例如，在162MHz的时钟频率下，LDI数据位宽度为892ps，而DVI数据位为625ps，理想的数据位余量为位宽的一半，分别为446ps与312ps。必须减去发送器脉冲位置变化、传输抖动、内部连线延迟等因素。由于存在这些因素，因而有“ps”数越高越好的说法。这两种时序如图3所示。

d 代码带宽

在直流均衡模式下，LDI的效率为86%，而DVI只有80%。由于编码开销，160MHz双像素DVI应用中，要发送1.92Gb非RGB像素的无用数据信息。

e 跃迁最小化

由于LDI在单时钟周期内传送7位，传输速率低，在传输有效数据时LDI并不会降低跃迁次数。在空闲期间，LDI芯片组发送控制位(包括行、场同步信号VSYNC和HSYNC以及DE)，并执行信号校正。注意到这儿每帧中仅有两次时钟信号沿跃迁。

而DVI仅在传输有效数据时会最小化跃迁次数。在空闲时间内DVI传输的位串最大化跃迁次数，因而在CRT兼容的时钟下，在空闲时间内每对线达到最大的8次跃迁。这会增加功耗并抵消在有效数据传输期间的增益。对某些状态的研究表明，在典型数据模式下，将空闲时间计算在内，LDI比DVI有更少的跃迁。

LDI具有较低的数据转换速率，而且相对于DVI来说设计上较为简单，因此功耗较低。功耗低是FPD-Link的重要特点。在提高集成度的同时并没有增加功耗。

LVDS的未来趋势

基于LVDS的FPD-Link已经成为笔记本电脑显示接口的事实标准。已经有几家GUI芯片供应商能提供主流应用的集成发送器。接收器集成了时序控制器，取消了FPD-Link到TCON间的CMOS单端接口，因而分离接收器的应用越来越少。这种集成设计减小了EMI、封装以及TFT显示模块的成本和功耗。此外，NSC公司还建立基于LVDS的低摆幅差分信号标准RSDS,该标准将LVDS的性能特点应用到平板显示器的列驱动电路与TCON的芯片的连接上。它在功耗、噪声等方面有进一步改善，为LVDS在显示技术领域的应用提供了新的机遇。

作者：John Goldie