原创 Cyclone III中LVDS的设计

一，概述

LVDS低压差分信号，最早由美国国家半导体公司
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。

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。

LVDS的工作原理是其中发送端是一个为3.5mA的电流源，产生的3.5mA的电流通过差分线的其中一路到接收端。由于接收端对于直流表现为高阻，电流
通过接收端的100欧姆的匹配电阻产生350mA的电压，同时电流经过差分线的另一条流回发送端。当发送端进行状态变化时它通过改变流经100欧姆电阻的 电流的方向产生有效的'0'和'1'态。

二，硬件设计

    为了达到阻抗控制的要求，PCB的设计采用常见的4层板，基本叠层结构如下图：

板子的总体厚度约为1.6mm，L1,L4为信号层，L2，L3分别为地线层和电源层，半固化片采用2116，根据CTS的计算，选取差分线线宽6mil，间距8mil，信号层铺铜厚度为0.5OZ（完成后约为高度48um），可以达到差分阻抗约100欧姆。

在CIII芯片中，有多组可以输出LVDS信号的IO，但有几点需要注意。在芯片的right bank，left bank上，也就是1，2，5，6 bank，设计了“dedicated output buffer”，这些IO不要添加其他器件既可以输出LVDS信号，也就是说不需要做任何电阻网络匹配的工作了。至于上下两边，3，4，7，8 bank上，没有“dedicated output buffer”，如果要做输出使用，仍然需要配上3个电阻的网络。Altera将这种方式名为“emulated lvds output...”。

需要另外端接电阻的IO，其电阻的选取和链接方式如下：

端接的电阻应该尽量靠近输出的IO口。还有一点需要的注意的是，不管是需要端接电阻还是不需要端接电阻的IO，在作为LVDS输入方式时，都是需要一个100欧姆的电阻的。

       在PCB设计这些LVDS时，要把一组LVDS当做一根线来处理，它们与其他信号线的距离最好能大于20个mil。每一组LVDS内的两根信号线的长度需要做等长处理，同时采用“紧耦合”的走线方式更加有利于信号的的质量。当“紧耦合”和“等长”发生矛盾，两者不可以兼得时，应该优先考虑等长。LVDS走线尽量走直线，需要拐弯的部分，拐弯走成“圆弧”状，下面就是部分LVDS走线的截图:

三，软件设计

       在Quartus中做信号分配时，需要注意，每一组LVDS其实就是一个信号，在Verilog中你就把它们当做一个信号处理，比如信号名称是outd[6]。。比如现需要配置一对LVDS，你想把它们分配的PIN101和PIN103，只需要对LVDS中的P信号做信号分配即可， P103在CIII中已经被定义成P了，你要做的就是把outd[6]指定到P103。首先，在IO
standard中指定电平标准为LVDS，再在outd[6]的location中选择P103就可以了，这个时候你会发现outd[6]的N端就会自动地分配了P101。

上面提到在一些IO作为LVDS使用时需要添加3个端接电阻，Altera就把这些信号称为“LVDS_E_3R”，在分配IO时需要注意区分，将LVDS信号分配成LVDS_E_3R或者相反，“适配”的时候都会报错。

       分配好了以后，可以在assignment edit中查看每个IO的状态，以确认是否真的完成了LVDS的分配。

   如果想测试LVDS的信号，可以在两个IO上接入一个100欧姆的电阻，使用2个探头一起探测LVDS的眼图。

四，其他

设计中还需要注意以下3点：

1，  选作LVDS的Bank的VCCIO的电压是2.5V，在硬件设计时需要注意，如果电压分配不正确，也无法完成LVDS的分配。一旦该Bank的VCCIO电压被设计成2.5V，那么该Bank的其他非LVDS信号（包括配置信号）的高电平也是2.5V了，JTAG和AS的分配、MSEL的配置也需要注意。比如3.3V的VCCIO时候标准AS模式下MSEL[3..0]为0010，而2.5V时则为0011。

2，  当LVDS和普通信号一起作为输出信号时，普通信号的IO至少距离LVDS信号5个PIN。比如P101和P103作为LVDS输出，则P96~P100,P102,P104~P108不可以同时被分配成普通输出信号，但可以被配置成LVDS输出信号。这些在硬件设计之初也需要有考虑。

3，  LVDS非常讲究阻抗的匹配，LVDS的信号应该尽量少打过孔，在跨板传输时需要选择合适的接插件和信号线，如果接插件或者信号选择不正确，会大大影响传输的速率

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