黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）摘要低电压差分信号 (LVDS)高速1/0接口单元当前CMOS电路设计中的重要研究它在减小CMOS芯片内外速度差异、实现高速数据传输方面具有独特的优势和作用本文重点研LVDS高速1/0接口单元的设计技术，完成一种基于中芯国际0.13umCMOS工艺的 622MbpsLVDs驱动器的设计论文首先介绍了LVDS接口的基本原理和电特性，通过与其他接口技术进行对比，分析了LVDS接口在高速数据传输应用方面的优势，结合实例给出了LVDS接口电路的设计原则论文着重分析了几种 LVDSUO接口单元的基本电路结构及其工作原理，给出了用HSPICE工具进行模拟验证的结果基于中芯国际0.13umCMOS工艺，完成了中芯国际LVDS系列产品中 622MbPsLVDS驱动器的设计，实现了从电路设计、仿真、版图、后仿真优化、一直到最后的流片等整套LVDS产品的开发过程设计过程参照国际通用标准，保证了产品的通用性关键词:低电压差分信号 (LVDS)；接口;电流镜；差分放大器;带隙基准ⅠIAbstractLow Voltage Differential Signaling(LVDS)，a high speedl/0interface，1s one important research Problem of reeent CMOS cireuit design.It hasi nimitable superiority and funetion on a chieving high speed datatransfer.In this Paper，researeh on design teehnology of LVDS Shigh speed l/0 interfaee 1s diseussed:It also ceontains a 622MbPs LVDS transmitter design nwhieh 1s based on SMIC 0.13um CMOS arts. In this PaPer，we first introduce the basic Prinei Ple and eleetrieal specification of LVDS inierfaee; by eomParing with other interface teehnology，analyzethes一the sPeriority of LVDS on high sPeed datatransfer.In the article we also analyze some examples ofLVDSI/0interface cireuit sandworking PrineiPleindetail，and give out the simulation results as well as verifieation using HSpICE simulationtool.AceomPlish a 622MbPs LVDS transmitter design，one of Products of SMIC LVDS series，based on SMIC0.13um CMOS arts.Aetualize a total Process of LVDS Produet development from Circuits design，pre一layoutsimulation，layoutdesign，post一layout simulation and Optimize till to the final tapeout.The entire design flow refers to international general Criterion which ensures the general acceptance and use.Keywords:LowVoltage Differential Signaling(LVDS)Inierfaee Current Mirror Differential AmPlifier BandgapIIⅡ目录 摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1 LVDS的概念 11.2LVDS技术的特点 21.3LVDS的发展及现状 21.4 LVDS的典型结构 3第二章高速信号传输理论与实现 52.1信号完整性 52.2 高频传输线上的损耗 52.3高速背板链接器 62.3.1互感 62.3.2串联电感 72.3.3寄生电容 72.34高速连接器 8第三章仿真软件 93.1引言 93.2微波网络参量 103.4HFSS软件的应用过程 12第四章LVDS参数设计与仿真 134.1关于LVDS迹线端口尺寸的设置 134.2 HFSS软件仿真过程以及结果的分析和处理 154.2.3创建差分对S参数绘图 264.2.4场覆盖图 284.3 优化设计——参数扫描 31参考文献 36致谢 37第一章绪论1.1 LVDS的概念低电压摆幅的差分信号 (LowvoltageDifferentialsignaling，简称Lvns)又称RS一644总线接口，是20世纪90年代才出现的一种数据传输和接口技术。
它使得数据能在差分传输线对或平衡电缆上以几百兆比特/秒的速率传输LvDS是用于高速数据传输的通用接口标准该技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆LVDS对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用目前，流行的LVDS技术规范有两个标准:一个是TIA/EIA(电讯工业联盟/电子工业联盟)的ANSI/TI刀EIA一644标准，另一个是 IEEE1596.3标准在ANcl/TIA尼 IA2644标准中就建议了 655MbPs的最大速率和 1.923GbPs的无失真媒质上的理论极限速率图1.1为LVDS的原理简图，其驱动器由一个恒流源(通常为3.smA)驱动一对差分信号线组成在接收端有一个高的直流输入阻抗(几乎不会消耗电流)，所以几乎全部的驱动电流将流经100Q的终端电阻在接收器输入端产生约35omV的电压当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生一个有效的”O“或“1“逻辑状态 1.2 LVDS技术的特点LVDS技术之所以能够解决目前物理层接口的瓶颈，正是由于其在速度、声/EMl、功耗、成木等方面的优点。
高速传输能力:LVDS技术的恒流源模式低摆幅输出意味着LVDS能高速动，例如:对于点到点的连接，传输速率可达800M帅s;对于多点互连FR4背板十块卡作为负载插入总线，传输速率可达40OMbPs低噪声/低电磁干扰:LVDS信号是低摆幅的差分信号众所周知，差分数传输方式比单线数据传输对共模输入噪声有更强的低抗能力，在两条差分信号上电流以方向及电压振幅相反，噪声以共模方式同时祸合到两条线上而接收只关心两信号的差值，于是噪声被抵消由于两条信号线周围的电磁场也相互抵消，故比单线信号传输电磁辐射小得多而且，恒流源驱动模式不易产生振铃切换尖锋信号，进一步降低了噪声低功耗:LVDS器件是用CMOS工艺实现的，这就提供了低的静态功耗;载(100Q终端电阻)的功耗仅为1.Zmw;恒流源模式驱动设计降低系统功耗并极大J一也降低了kc的频率成分对功耗的影响与其相比，TTL/CMOS收发器动态功耗相对频率呈指数上升1.3 LVDS的发展及现状1995年11月，以美国国家半导体公司为主推出了ANSFTIAjEIA一644标准1996年3月，IEEE公布了IEEE1596.3标准这两个标准注重于对LVDS接口的特性、互连与线路端接等方面的规范，对于生产工艺、传输介质和供电电压等没有明确。
LVDS可采用CMoS、GaAs或其他技术实现，其供电电压可以从+5到+3.3v，甚至更低;其传输介质可以是PCB连线，也可以是特制的电缆推荐的最高数据传输速率是655MbPs，而理论上，在一个无衰耗的传输线上，LVDS的最高传输速率可达1.923GbPs近年来，现代高性能微处理器的速度已经突破了IGHz，芯片间的传输速率也达到儿百兆赫兹，在cMOs电路系统中进行600MbPs以上的信号传输已经不可避免在众多用于高速数据传输的接口电平形式中，只有LvDS能够实现高速度、低功耗、低噪声以及低成本的结合而无需折衷因此，国际上对LVDS及其相关产品的研究开发十分活跃，各大公司均推出了LVDS信号的ASICFO接口单元产品系列，如国家半导体公司的DS90、Ds92系列速度达到600MbPs，德州仪器公司的SN65LVDS和SN75LVDs系列速度达到400Mbps~600Mbps. FARADAY公司的IJVDST80HgOA和FXLVI’X08ollAOA系列速度达到600Mbps左右，富士通公司的CE61、CE71系列的速度也达到了300MHz~400MHz这些产品在高性能计算机、电讯、通讯、显示及消费电子等领域得到广泛的应用。
LVDS高速[/O接口单元是高性能计算机和通讯电子设备中重要的构件，直接影响到系统性能但是，国外把这些研究成果都作为核心机密为了掌握高性能计算机中的这项重要技术，我们必须研究开发具有自主知识产权的 LvDS1/0接口单元LVDS高速FO接口单元包括LVDS驱动器、LVDS接收器和LVDS偏置单元1.4 LVDS的典型结构目前LVDS产品主要有美国国家半导体公司全系列的LVDS产品和德州仪器半导体司的LVDS产品系列美国国家半导体公司这方面更具优势，其产品主要有四种典型结构，是目前数据传输和交换常用的四种方式LVDS技术的应用领域也日渐普遍在高速系统内部、系统背板互连和电缆传输应用中，驱动器、接收器、收发器、并串转换器/串并转换器以及其他LVDS器件的应用正日益广泛接口芯片供应商正推进LVDS作为下一代基础设施的基本构造模块，以支持基站、中心局交换设备以及网络主机和计算机、工作站之间的互连其典型结构:(l)点到点结构基本的发射和接收结构，用于两点间固定方向信号传输；(2)点到多点结构广播式总线结构连接多个接收端到一个发送端，常用于数据分配；（3）多点到多点结构多点互连总线使点到点之问互连降到最少，同时一提供双向，半双工通讯能力，在同一时间，只能有一个发送器工作；（4）矩阵开关结构。
通常应用于需要非常高的信号交换通路的系统中，实现全双工通信对应点到点或点到多点结构，有LvDS线路驱动/接收器和LVDS串行/解串器(Channellink)系列产品对于多通道、宽带、大动态的数据传输，LVDS串行/解串器将是很好的解决方案雷达系统中，分系统之间的数据传输，分系统内通过背板的数据传输应用LVDS串行/解串器将大大减少电缆、接插件以及PCB背板的复杂度这种产品在雷达系统中有很好的应用前景对应点对多点或多点到多点结构的应用，BusLVDS技术能最好地适应这些应用BusLVDS、mLVDS线路驱动/接收器系列的扩展，为多点应用场合而设计，这时总线两端都终接电阻BusLVDS驱动器提供约10mA的输出电流，因而能被用于重负载的背板上，那里的等效阻抗低于100Q，这里驱动器会有30一50范围的负载在一些大的数据通信系统中，要构造大的高速背板，LVDS技术是最理想的解。