介紹
低電壓差動訊號 (LVDS) 元件可分為許多種，同一個系統常會使用許多不同的LVDS元件。LVDS、匯流排LVDS (Bus-Based LVDS) 和多點LVDS (Multi-point LVDS，M-LVDS) 元件都有廠商提供，但這些元件能否用於同一系統？在系統中混合使用多種技術必須解決那些問題？混合使用「類似，但不相同」的元件又會受到那些限制？每一種LVDS技術都有其優勢和限制。它們的共同優點是比單端訊號更省電、速度更快、電磁干擾更少；技術限制則包括架構支援種類、節點數目、驅動能力和標準相容性。
業界制定許多標準以便將整合問題減至最少。TIA/EIA-644A標準專門規範LVDS元件在點對點 (point-to-point) 和多接點 (multi-drop) 應用的效能；TIA/EIA-899標準 (M-LVDS) 則是規範多點 (multi-point) 元件的要求。雖然在開發新系統時應儘可能選擇同一類型的元件，但實際系統通常會包含不同廠商提供的模組，而每個模組還可能採用不同的實體層元件。本文將提出一些技術應用準則，同時說明潛在問題和解決方案以及系統混合使用多種技術時所受的限制。
常見LVDS元件的重要參數如表1所示。點對點和多接點匯流排的要求是由644A標準負責規範，每個644A匯流排最多可連接32個接收器，驅動能力為3.5mA。匯流排LVDS則保留644A的多數特色，但將驅動能力大幅提高；例如644A和匯流排LVDS的接收器共模範圍和臨界值就完全相同。M-LVDS可提供完整和真正的多點功能，它的11mA驅動能力可以支援雙終端 (double termination) 或負載背板。M-LVDS接收器的臨界值只有其它技術的一半，所允許的地電位偏移量則增加一倍。
傳送器規格
在表1的驅動器參數部份，測試負載是指產生元件規格表時所用的阻抗，VOD是該阻抗下的輸出差動電壓，驅動器輸出電流則是元件供應給負載的電流；比較各種技術時應將驅動能力正規化才能得到有意義的結果。在將VOD正規化時，我們假設傳送器是驅動100Ω負載的理想電流源。雖然沒有任何技術能夠提供理想電流源的反應能力，但此假設對於技術比較仍已足夠精確。
接收器規格
除了M-LVDS外，其它訊號接收器的臨界值都是100mV，M-LVDS接收器則提供兩倍靈敏度。在M-LVDS元件出現前，驅動器和接收器的地電位相差不可超過±1V，M-LVDS則將此容忍範圍提高一倍。LVDS和匯流排LVDS元件的故障保護機制各有不同，M-LVDS的故障保護機制則明確列於相關標準中，我們將在後面對此進行討論。
真正的多點操作M-LVDS還有許多附加功能可以支援真正的多點操作。它們雖非本文的討論重點，以下仍將簡單介紹其優點。
背板是M-LVDS元件常見的應用之一，這類系統會因連接器和電路板的線腳 (stub) 影響而出現阻抗不匹配現象。為將線腳造成的訊號反射減至最少，M-LVDS規定訊號轉換時間最小值為1ns。這雖對最大速度造成限制，但由於多點訊號的速率通常在200到400Mbps之間，故在實際應用上並沒有任何影響。
M-LVDS驅動器皆採特別設計，就算多顆元件爭奪匯流排使用權也不會出現高於2.4V的電壓。這項限制可確保採用同類型LVDS元件的均質 (homogenous) 系統所使用的接收器能夠永遠正確判斷匯流排的狀態。
其它重要功能包括故障保護和驅動器爭奪匯流排使用權 (driver contention)。
實體層名稱 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS
產業標準 TIA/EIA 644A 非標準 TIA/EIA 899
驅動器參數：
負載 100Ω 27Ω - 50Ω 50Ω
輸出差動電壓：VOD 350mV 350mV 565mV
驅動器輸出電流：IOD 3.5mA 7mA - 11.1mA 11.3mA
正規化VOD電壓 (100Ω) 350mV 700mV - 1.11V 1.13V
穩態輸出共模電壓：VOC(SS) 1.2 1.2 - 1.3 1
接收器參數
輸入臨界電壓：ViTH 100mV 100mV 50mV
共模電壓範圍：ViCM 0V - 2.4V 0V - 2.4V -1V - 3.4V
地電位差異：VGPD 1V 1V 2V
故障保護功能 非標準 非標準 符合Type 2標準
支援架構 點對點，多接點 多點 真正多點
表1：典型比較表
故障保護
故障保護 (fail-safe) 是指接收器遇到某些故障或驅動器未動作時的回應方式。LVDS的故障保護機制是在TIA/EIA-899制定後才有標準可供依循，此前則是使用外部偏壓和不同的整合式解決方案，但這會造成元件的互換出現問題。
M-LVDS對故障保護做出明確定義。這項標準將接收機分為兩大類，第一類接收機的偏移臨界值為+50mV，第二類則為100mV。第一類接收器與LVDS很類似，只不過對於電壓偏移更敏感。第二類接收器則採用標準的故障保護機制，它對偏移臨界值的要求如圖1所示。
圖1：接收器的VIth比較
多個驅動器爭奪匯流排使用權
若有多個匯流排驅動器同時進入工作狀態會發生什麼事？設計人員顯然希望電路不會受到損害，匯流排電壓也應留在某個範圍內。點對點或多接點系統並不會出現多個驅動器爭奪匯流排使用權的現象，644A標準或匯流排LVDS技術也未涵蓋此部份。M-LVDS標準則能解決多顆驅動器爭奪匯流排使用權的問題。M-LVDS驅動器會監測匯流排和限制其電路以確保匯流排電壓低於2.4V，而被禁能的元件和接收器也會限制匯流排電壓為2.4 V。
不同類型元件的操作互通性
驅動器的VOD電壓以及接收器的ViTH和ViCM電壓對於確保LVDS元件的操作互通性很重要。從表1可看出正規化VOD的變動範圍高達三倍，接收器能否處理更高的VOD電壓則是由它的共模電壓範圍和最大差動輸入電壓決定。雜訊邊限則是影響操作互通性的另一項重要因素，我們接著將說明此點。
雜訊邊限
雜訊邊限的定義是最小VOD減掉最大ViTH。表2使用與表1相同的電流源假設，它還提供元件規格表所列各種負載以及正規化100Ω和40Ω測試負載下的最小VOD。我們根據多點背板系統的實際應用選擇40Ω負載。644A標準規定最小VOD為247mV，最大ViTH則為100mV，這能為採用同類型元件的系統提供147mV的雜訊邊限。
匯流排LVDS的雜訊邊限是由各元件的規格決定，因此需要分析所有元件資料表才能算出雜訊邊限，例如M-LVDS的雜訊邊限就是430mV。從表2可看出負載條件對最小VOD電壓的影響很大，因此混合使用多種技術時一定要將雜訊邊限列入考慮。
實體層名稱 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS
產業標準 TIA/EIA 644A 非標準 TIA/EIA 899
驅動器參數
測試負載 100Ω 27Ω至50Ω 50Ω
最小輸出差動電壓：VOD 247mV 200mV至247mV 480mV
正規化後的最小VOD (100Ω) 247mV 494mV至741mV 960mV
正規化後的最小VOD (40Ω) 100mV 200mV至300mV 400mV
表2：最小VOD電壓
表3列出同質和混合系統的雜訊邊限。雖然LVDS的雜訊邊限最小，它仍能在100Ω環境中驅動其它接收器。點對點系統通常會為了速度而選擇LVDS，M-LVDS則能為同質系統提供最大的雜訊邊限。真正的多點系統必須採用M-LVDS之類的技術，因為它們需要更大的雜訊邊限來滿足負載要求。混合使用多種技術時，最後一個需要考量的因素是接收機的共模範圍。
驅動器 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS M-LVDS
接收器 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS M-LVDS M-LVDS LVDS Bus-Based LVDS
雜訊邊限參數
輸入臨界電壓：ViTH 100mV 100mV 50mV 50mV 50mV 100mV 100mV
最小輸入差動電壓：VOD 247mV 200mV至247mV 480mV 247mV 200mV至247mV 480mV 480mV
正規化後的最小VOD (100Ω負載) 247mV 494mV至741mV 960mV 247mV 494mV至741mV 960mV 960mV
正規化後的最小VOD (40Ω負載) 100mV 200mV至300mV 400mV 100mV 200mV至300mV 400mV 400mV
雜訊邊限 (100Ω負載) 147mV 394mV至641mV 910mV 197mV 444mV至691mV 860mV 860mV
雜訊邊限 (40Ω負載) 0mV 100mV至200mV 350mV 50mV 150mV至250mV 300mV 300mV
表3：雜訊邊限計算結果
接收機共模範圍
多數LVDS系統規定地電位不能相差超過±1V。這雖大致正確，但設計人員真正需要知道的卻是元件在規格表所列的極端條件下究竟能承受多大電壓差。LVDS驅動器的共模輸出範圍從1.125V到1.375V，LVDS接收器則能接受0V到2.4V輸入，這表示接收器約能承受1V的地電位偏移。驅動器若在極端共模條件和最大VOD電壓下操作，所能允許的地電位偏移就僅剩800mV。有些廠商提供輸入範圍較大的接收器，例如SN65LVDS33的支援範圍就從-4V到5V。M-LVDS接收器則可提供-1V到3.4V的輸入電壓範圍。
結語
LVDS是許多應用喜歡採用的技術，因為它的速度比單端技術更快、耗電更低、電磁干擾更少。系統最好只採用一種LVDS技術，但有時我們還是必須混合使用多種技術，此時千萬不要超過元件規格表的限制，且要將應用的雜訊邊限和共模範圍列入考慮。M-LVDS提供雜訊邊限更大和真正具備多點操作能力的LVDS訊號，M-LVDS解決方案還能提供故障保護、匯流排使用權爭奪的解決機制以及業界標準相容性。無論如何，每一種技術都有其擅長的應用領域，只要透過適當設計就能確保它們之間的操作互通性。
低電壓差動訊號 (LVDS) 元件可分為許多種，同一個系統常會使用許多不同的LVDS元件。LVDS、匯流排LVDS (Bus-Based LVDS) 和多點LVDS (Multi-point LVDS，M-LVDS) 元件都有廠商提供，但這些元件能否用於同一系統？在系統中混合使用多種技術必須解決那些問題？混合使用「類似，但不相同」的元件又會受到那些限制？每一種LVDS技術都有其優勢和限制。它們的共同優點是比單端訊號更省電、速度更快、電磁干擾更少；技術限制則包括架構支援種類、節點數目、驅動能力和標準相容性。
業界制定許多標準以便將整合問題減至最少。TIA/EIA-644A標準專門規範LVDS元件在點對點 (point-to-point) 和多接點 (multi-drop) 應用的效能；TIA/EIA-899標準 (M-LVDS) 則是規範多點 (multi-point) 元件的要求。雖然在開發新系統時應儘可能選擇同一類型的元件，但實際系統通常會包含不同廠商提供的模組，而每個模組還可能採用不同的實體層元件。本文將提出一些技術應用準則，同時說明潛在問題和解決方案以及系統混合使用多種技術時所受的限制。
常見LVDS元件的重要參數如表1所示。點對點和多接點匯流排的要求是由644A標準負責規範，每個644A匯流排最多可連接32個接收器，驅動能力為3.5mA。匯流排LVDS則保留644A的多數特色，但將驅動能力大幅提高；例如644A和匯流排LVDS的接收器共模範圍和臨界值就完全相同。M-LVDS可提供完整和真正的多點功能，它的11mA驅動能力可以支援雙終端 (double termination) 或負載背板。M-LVDS接收器的臨界值只有其它技術的一半，所允許的地電位偏移量則增加一倍。
傳送器規格
在表1的驅動器參數部份，測試負載是指產生元件規格表時所用的阻抗，VOD是該阻抗下的輸出差動電壓，驅動器輸出電流則是元件供應給負載的電流；比較各種技術時應將驅動能力正規化才能得到有意義的結果。在將VOD正規化時，我們假設傳送器是驅動100Ω負載的理想電流源。雖然沒有任何技術能夠提供理想電流源的反應能力，但此假設對於技術比較仍已足夠精確。
接收器規格
除了M-LVDS外，其它訊號接收器的臨界值都是100mV，M-LVDS接收器則提供兩倍靈敏度。在M-LVDS元件出現前，驅動器和接收器的地電位相差不可超過±1V，M-LVDS則將此容忍範圍提高一倍。LVDS和匯流排LVDS元件的故障保護機制各有不同，M-LVDS的故障保護機制則明確列於相關標準中，我們將在後面對此進行討論。
真正的多點操作M-LVDS還有許多附加功能可以支援真正的多點操作。它們雖非本文的討論重點，以下仍將簡單介紹其優點。
背板是M-LVDS元件常見的應用之一，這類系統會因連接器和電路板的線腳 (stub) 影響而出現阻抗不匹配現象。為將線腳造成的訊號反射減至最少，M-LVDS規定訊號轉換時間最小值為1ns。這雖對最大速度造成限制，但由於多點訊號的速率通常在200到400Mbps之間，故在實際應用上並沒有任何影響。
M-LVDS驅動器皆採特別設計，就算多顆元件爭奪匯流排使用權也不會出現高於2.4V的電壓。這項限制可確保採用同類型LVDS元件的均質 (homogenous) 系統所使用的接收器能夠永遠正確判斷匯流排的狀態。
其它重要功能包括故障保護和驅動器爭奪匯流排使用權 (driver contention)。
實體層名稱 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS
產業標準 TIA/EIA 644A 非標準 TIA/EIA 899
驅動器參數：
負載 100Ω 27Ω - 50Ω 50Ω
輸出差動電壓：VOD 350mV 350mV 565mV
驅動器輸出電流：IOD 3.5mA 7mA - 11.1mA 11.3mA
正規化VOD電壓 (100Ω) 350mV 700mV - 1.11V 1.13V
穩態輸出共模電壓：VOC(SS) 1.2 1.2 - 1.3 1
接收器參數
輸入臨界電壓：ViTH 100mV 100mV 50mV
共模電壓範圍：ViCM 0V - 2.4V 0V - 2.4V -1V - 3.4V
地電位差異：VGPD 1V 1V 2V
故障保護功能 非標準 非標準 符合Type 2標準
支援架構 點對點，多接點 多點 真正多點
表1：典型比較表
故障保護
故障保護 (fail-safe) 是指接收器遇到某些故障或驅動器未動作時的回應方式。LVDS的故障保護機制是在TIA/EIA-899制定後才有標準可供依循，此前則是使用外部偏壓和不同的整合式解決方案，但這會造成元件的互換出現問題。
M-LVDS對故障保護做出明確定義。這項標準將接收機分為兩大類，第一類接收機的偏移臨界值為+50mV，第二類則為100mV。第一類接收器與LVDS很類似，只不過對於電壓偏移更敏感。第二類接收器則採用標準的故障保護機制，它對偏移臨界值的要求如圖1所示。
圖1：接收器的VIth比較
多個驅動器爭奪匯流排使用權
若有多個匯流排驅動器同時進入工作狀態會發生什麼事？設計人員顯然希望電路不會受到損害，匯流排電壓也應留在某個範圍內。點對點或多接點系統並不會出現多個驅動器爭奪匯流排使用權的現象，644A標準或匯流排LVDS技術也未涵蓋此部份。M-LVDS標準則能解決多顆驅動器爭奪匯流排使用權的問題。M-LVDS驅動器會監測匯流排和限制其電路以確保匯流排電壓低於2.4V，而被禁能的元件和接收器也會限制匯流排電壓為2.4 V。
不同類型元件的操作互通性
驅動器的VOD電壓以及接收器的ViTH和ViCM電壓對於確保LVDS元件的操作互通性很重要。從表1可看出正規化VOD的變動範圍高達三倍，接收器能否處理更高的VOD電壓則是由它的共模電壓範圍和最大差動輸入電壓決定。雜訊邊限則是影響操作互通性的另一項重要因素，我們接著將說明此點。
雜訊邊限
雜訊邊限的定義是最小VOD減掉最大ViTH。表2使用與表1相同的電流源假設，它還提供元件規格表所列各種負載以及正規化100Ω和40Ω測試負載下的最小VOD。我們根據多點背板系統的實際應用選擇40Ω負載。644A標準規定最小VOD為247mV，最大ViTH則為100mV，這能為採用同類型元件的系統提供147mV的雜訊邊限。
匯流排LVDS的雜訊邊限是由各元件的規格決定，因此需要分析所有元件資料表才能算出雜訊邊限，例如M-LVDS的雜訊邊限就是430mV。從表2可看出負載條件對最小VOD電壓的影響很大，因此混合使用多種技術時一定要將雜訊邊限列入考慮。
實體層名稱 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS
產業標準 TIA/EIA 644A 非標準 TIA/EIA 899
驅動器參數
測試負載 100Ω 27Ω至50Ω 50Ω
最小輸出差動電壓：VOD 247mV 200mV至247mV 480mV
正規化後的最小VOD (100Ω) 247mV 494mV至741mV 960mV
正規化後的最小VOD (40Ω) 100mV 200mV至300mV 400mV
表2：最小VOD電壓
表3列出同質和混合系統的雜訊邊限。雖然LVDS的雜訊邊限最小，它仍能在100Ω環境中驅動其它接收器。點對點系統通常會為了速度而選擇LVDS，M-LVDS則能為同質系統提供最大的雜訊邊限。真正的多點系統必須採用M-LVDS之類的技術，因為它們需要更大的雜訊邊限來滿足負載要求。混合使用多種技術時，最後一個需要考量的因素是接收機的共模範圍。
驅動器 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS M-LVDS
接收器 LVDS Bus-Based LVDS M-LVDS M-LVDS M-LVDS LVDS Bus-Based LVDS
雜訊邊限參數
輸入臨界電壓：ViTH 100mV 100mV 50mV 50mV 50mV 100mV 100mV
最小輸入差動電壓：VOD 247mV 200mV至247mV 480mV 247mV 200mV至247mV 480mV 480mV
正規化後的最小VOD (100Ω負載) 247mV 494mV至741mV 960mV 247mV 494mV至741mV 960mV 960mV
正規化後的最小VOD (40Ω負載) 100mV 200mV至300mV 400mV 100mV 200mV至300mV 400mV 400mV
雜訊邊限 (100Ω負載) 147mV 394mV至641mV 910mV 197mV 444mV至691mV 860mV 860mV
雜訊邊限 (40Ω負載) 0mV 100mV至200mV 350mV 50mV 150mV至250mV 300mV 300mV
表3：雜訊邊限計算結果
接收機共模範圍
多數LVDS系統規定地電位不能相差超過±1V。這雖大致正確，但設計人員真正需要知道的卻是元件在規格表所列的極端條件下究竟能承受多大電壓差。LVDS驅動器的共模輸出範圍從1.125V到1.375V，LVDS接收器則能接受0V到2.4V輸入，這表示接收器約能承受1V的地電位偏移。驅動器若在極端共模條件和最大VOD電壓下操作，所能允許的地電位偏移就僅剩800mV。有些廠商提供輸入範圍較大的接收器，例如SN65LVDS33的支援範圍就從-4V到5V。M-LVDS接收器則可提供-1V到3.4V的輸入電壓範圍。
結語
LVDS是許多應用喜歡採用的技術，因為它的速度比單端技術更快、耗電更低、電磁干擾更少。系統最好只採用一種LVDS技術，但有時我們還是必須混合使用多種技術，此時千萬不要超過元件規格表的限制，且要將應用的雜訊邊限和共模範圍列入考慮。M-LVDS提供雜訊邊限更大和真正具備多點操作能力的LVDS訊號，M-LVDS解決方案還能提供故障保護、匯流排使用權爭奪的解決機制以及業界標準相容性。無論如何，每一種技術都有其擅長的應用領域，只要透過適當設計就能確保它們之間的操作互通性。
