XILINX硬件设计-(1)LVDS接口总结

1.LVDS差分信号电路原理

   LVDS指的是低压差分信号，是一种电平标准。 差分信号在串行通信中有着非常广泛的应用，典型应用有PCIE中的gen1，gen2，gen3，gen4，gen5，SATA接口，USB接口等。 

典型的电气接口标准LVDS（low voltage differential signaling）如图所示

LVDS源端驱动器由一个恒流源（通常约为3.5mA，最大不超过4mA）驱动一对差分信号线组成，如图所示。Q1,Q4与Q2,Q3组成两对根据输入轮流导通。接收端的接收器本身为高输入阻抗，所以几乎全部的驱动电流都流经100Q的终端匹配电阻，并在接收器输入端产生约350mV的电压。当源端驱动状态反转变化时，流经匹配电阻的电流方向改变，于是在接收端产生高低逻辑状态的变化。

2.LVDS信号抗干扰能力分析

   信号传输过程中经常需要翻转，电压越高，所需翻转时间越长，电压越低，所需翻转时间越短，但低电压也意味着一点点干扰也会让电压产生相对较大的浮动，LVDS在低压的情况下弥补了抗干扰能力弱的问题。

3.常见的LVDS参数

1）正负信号Vp(n)：差分信号成对出现，在IO端口对上规定其中一个为正(Vp)，另一个为负(Vn)
2）共模电压Vcm：共模电压是指正负两个信号电压平均值，即Vcm=(Vp+ Vn)/2。                      3）差分摆幅Vd：差分电压是两个信号差值，即Vd=Vp-Vn。

4.XILINX的LVDS兼容问题

在XILINX的7系列FPGA中,存在high-performance (HP) and high-range (HR) 两种 I/O bank。

HP BANK	HR BANK
性能接口，主要用于DDR或其他高速接口 BANK电压最高为1.8V	支持更广泛的电平标准， BANK电压最高为3.3V
只支持LVDS18	支持LVDS33、LVDS25 、LVDS18
只支持1.2V，1.5V，1.8V供电，不再支持2.5V和3.3V供电	支持1.2V，1.5V，1.8V，2.5V以及3.3V供电

但在实际的使用过程中，我们会遇到FPGA引脚与LVDS（以及LVDS_33，LVDS_25）信号相连时兼容性的问题.

其实只要按照下面图 1和图 2流程进行判断即可。

针对LVDS的兼容性，图 1和图 2已经可以解决绝大多数问题了，这里做一些补充和解释。

1. 很明确的结论：作为输入引脚时，VCCO不等于1.8V的Bank有可能可以连接LVDS电平标准输入；VCCO不等于2.5V的Bank有可能可以连接LVDS_25电平标准输入。但是作为LVDS输出引脚时， 相应Bank的VCCO必须与电平标准的电压相匹配。
2. VCCO是IO Bank的Output Driver的驱动电源，Input Receiver中部分功能是由VCCAUX供电的。这就解释了为什么作为输入引脚时，电平标准可以与VCCO不匹配。当然Input Receiver也受到VCCO的影响，见第3条。
3. 当LVDS作为输入引脚时，判断是否可以使用的第一条原则是，作为输入信号的绝对电平不能超过VCCO+0.2V这个绝对电压门限，否则有可能损坏引脚的Input Receiver。这是图 1和图 2中都做了 TxVOCM + TxVOD/2 < VCCO +0.2V

5.XILINX的LVDS输入引脚DC特性

当LVDS作为输入引脚时，判断是否可以使用的第二条原则就是对比信号输入与Xilinx相关器件的LVDS的共模电压以及差分摆幅的指标是否满足。例如Kintex系列的器件需要查阅DS182中的相关参数，如下图所示。

6.XILINX的LVDS输入电路设计

1)电路原理分析

为适应共模电压在宽范围内的变化，一般情况下，LVDS的接收器输入级还包括一个自动电平调整电路，该电路将共模电压调整为一固定值。

如下图所示，AC耦合电容将DC电压阻断，也就是TX端的共模电压不会传到RX端，RX端只能接收到差分的输入信号，而RX端的共模电压通过RBIAS进行调节，以满足RX端接收到的绝对电压不会超过VCCO+0.2的要求.

2)官方原理图示例

ZCU106使用了AC耦合电路(BANK供电为1.2V，而晶振的VOS为1.2V，VCO = 0.35V)