计实现了一款高性能输入输出接口电路.模拟结果表明。
该接口电路的频率可达800MHz,并且具有良好的稳定性. 1.4本文的结构 本文重点介绍LVDs高速I/O接口单元的设计及其实现,共分成六章: 第一章为绪论,主要论述了课题的背景和LVDS的国内外发展情况,进而引出研究设计LVDS高速IO接口单元的目的和意义,最后初步总结了课题完成的主要工作. 第二章对LVDS的相关理论及总体设计介绍,首先论述了低压差分信号传输系统(LVDS)的应用与特性,进而论述了LVDS基本原理.最后阐述LⅥ)S高速I/O接口系统设计基本思想,从高速信号传输系统的基本原理、设计思想和高速FO接口电路信号完整性分析等入手,提出了设计的一般原则和方法. 第三章具体介绍了LVDS驱动器设计:主要论述LVDS驱动器的原理、结构以及电路设计.详细介绍了基准电压源电路设计 第四章介绍了LVDS接收器设计:主要论述LVDS接收器的原理,结构以及电路设计.重点论述了前置放大器和迟滞比较器的设计;详细介绍了失效保护思想和失效保护电路设计. 第五章讨论了LVDS的版图设计:首先介绍了CMOS工艺的一般流程,然后论述接口电路版图设计中注意的问题和难点以及解决办法和版图设计方案. 第六章结束语;总结了本文的主要工作和贡献。
针对研究现状、遇到的问题和发展前景,对后续工作进行了展望。
第3页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章LVDS的相关理论及总体设计介绍 LvDs接口电路由于性能突出。
应用非常广泛。
并有独特的机理和突出的性能与以前的传统接口电路相区别如PECL和RS-442:同时研究接口电路设计必然涉及到系统的要求,方案实现的约束及成本.本章将主要介绍LVDS的相关理论. 2.1低压差分信号传输系统(L、,Ds)的应用与特性 低压差分信号传输系统(L、,Ds)以其高速度、低噪声、低功耗和低成本。
广泛应用与计算机、通信和消费类电子产品中.LVDS的工业标准包括ANSImA,EIA.“4.A和IEEE 1596.3 SCI LVDS.表l。
l口1给出了IEEE 1596.3 SCIL、,Ds标准的主要参数,从表中可以看出,标准只是量化了驱动器和接收器的电气特性,没有涉及到具体协议,功能描述和传输线性能要求. 表2.1 IEEEl596.3 SCI标准LVDS 符号 参数 最小 最大 单位 Voh 输出高电平 1475 mV Vol 输出低电平 925 mV {V硼 输出差分电压 250 400 mV Vos 输出偏移电压 1125 1275 mV 0和1间IVodl的 25 mV 』△v碉 变化量 AVos 0和1间Vos的 25 mV 变化量 , Ro 单端输出阻抗 40 140 n R缸 接收器的差分输 80 120 n 入阻抗 Is 对地短路电流 40 mA Isab 输出短路电流 20 mA Vi 输入电压范围, O 2400 mV Via或Vib LVDS有很多特性使其适合与高速数据的传输,例如电流模,低摆幅输出技术 的应用,意味着LVDS可提供高速数据驱动能力.信号差分输出使得系统具有低 第4页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文噪声,低电磁干扰的特性. 表1.2rzll3l是LVD¥与其它常用的信号传输标准的比较.我们可以看到,LVD¥信号输出摆幅只是传统的RS--422和TrL/CMO¥输出信号摆幅的十分之一,PEEL的一半.此外,LVD¥其驱动器和接收器的电源不依赖于特定电压,可以在不同的工艺下实现,而信号的摆幅及传输速度不受影响.而EEL和PEEL的电源电压的相关性要高的多. 表2.2 LVD5与其它信号传输模式的比较 参数 L、订)S PEcL RS--442 驱动器差分输出电压 250~400 mV 600~l000 mV 2~5V 接收器输入朗值电压 100恤V 2∞~3∞mV 200mV 传输数据率 >400Mbps >400螂 <30Mbps3.5mA.匹配电阻消耗的功率是L225mW.而PEEL/EEL是LVD¥的大约lO倍;RS--422是LVDS的大约75倍.同时,其阻抗匹配也易于实现.对于LVD¥系统,无论输出信号传输介质是电缆还是PCB印制线,都只要在其电流环路上加入一个大约100欧姆的电阻.比较而言,PEEL/EEL除了100欧姆的匹配阻抗外,还需要两个220欧姆的下拉电阻,系统的成本较高,应用的弹性较差. 以上比较说明,LVDS高速传输系统具有其他传输系统难以比拟的优点。
以至于美国国家半导体、STMicroeleclxonics、Fairchild及Pericom等半导体厂商纷纷推出各式各样的驱动器及接收器,可见LVDS是业界普遍采用的标准.此外,像Xilinx与Altera等FI’GA厂商以及特殊应用集成电路供应商如LSI都采用LVDS输入,输出芯片开发新产品.这些厂商的产品适用于各种不同的应用方案,其中包括点对点数据传送、Multidrop或Multipoint总线结构、串联及解串、数据的交换及分配. 本章以LVDS为例来介绍高速数据传输系统收发器中接口电路线驱动器和接收器的结构选择,功能定义和参数设计.在LVDS数据传输系统中,驱动器∞i∞driver)将串行的高速数据转换成适宜于传输媒质传输的信号,通过传输媒质后LVDS接收器将发送的信号再转换成所需要的数字信号. 2.2 LVDS基本原理介绍 LVDS高速I/O接口电路系统由驱动器(Driver)和接收器∞ceiv哪组成.根 据前面章节的分析。
为了提高其驱动能力,和抗噪声能力,通常的LVDS传输系 统都采用电流模、差分信号传输的设计· 如图2.1所示,LVD¥驱动器由一个恒流源(标称值3.SmA)驱动一对差分信 第5页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文号线组成,接收器有很高的DC阻抗(几乎不会消耗电流).几乎全部的驱动电流将流经100 o的终端电阻并在接收器输入端产生大约350mV的压降.当驱动状态反转时,流经电阻的电流方向改变,于是在接收端产生了一个有效”0”或。
l。
的逻辑状态.当作为开关管Al和A2的开关打开时(此时,Bl和B2关闭),电流流向如图2.2所示.反之。
开关管Bl和B2的开关打开时(此时,Al和A2关闭),电流流向如图2.3所示〔61. ■- 图2.1 LVDS原理圈 A1 d 图2.2 AI,A2开关打开LVDS原理图 图2.3 Bl,B1开关打开LVDS原理图 第6页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 对于计算机系统,采用LVDS I/O接口进行数字信号传输是一种可选的的方案,因为其具有数据完整性好,工作电压低,功耗和电磁干扰较小,噪声较低,并能进行高速数据传输t7】,其应用如图2.4所示. k I蹴琴\ 端 撇 撇器 心 籍 艚 I(嘲号)J 棚隧号) 叛 y 簧却 蠛 图2.4简化的LVDS传输系统 2.3 LVDS高速FO接口系统设计概述 一个完整的FO系统的设计涉及到系统的要求,方案实现的约束及成本.系统实现的要求主要是带宽和位错率方面的考虑圈.方案实现主要受到信号传输的物理距离,应用场合的噪声特性,数据发送器和数据接收器的关键设计参数及整个系统的功耗要求等因素的影响.系统成本则主要设计到封装类型、管脚数目及印刷电路板的参数和所用传输线. 从系统的电路级设计考虑,为了达到设计要求,可能用到.
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