差分信号在印制线路板上的实现

李小亮，陈 真

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 前言

差分信号（VDS，Voltage Differential Signal）是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。差分信号又称差模信号，是相对于共模信号而言的。差分传输是一种信号传输技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在两根线上都传输信号，这两个信号振幅相等，相位相反。低电压差分信号（LVDS，Low-Voltage Differential Signaling）是美国国家半导体公司提出的一种信号传输模式。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/TIA/EIA-644标准，另一个是IEEE 1596.3标准。这两个标准注重于对LVDS接口的电特性、互连与线路端接等方面的研究，对于生产工艺、传输介质和供电电压等则没有明确规定。LVDS可采用CMOS、GaAs或其他技术实现，传输电压可以从5 V到3.3 V甚至更低；传输介质可以是PCB连线，也可以是特制的电缆。标准推荐的最高数据传输速率是655 Mbps，而理论上最高速率可以达到1.923 Gbps。本文主要研究如何在印制板上实现差分信号的传输，并且可以在125℃的高温环境下使用，这对集成电路高温加电有重大意义。

2 差分信号的实现方法

目前行业内一般的信号函数发生器只能发出单端信号，还不能够直接生成差分信号，即使目前已经有厂家能够制造差分晶体振荡器，实际使用下来发现有如下三个问题：（1）价格高昂；（2）驱动能力不够；（3）生成的差分信号干扰比较严重。所以要实现差分信号在印制板上的传输，就必须构建一个生成差分信号的电路系统。

2.1 外置驱动板

要实现差分信号在印制板上的传输，就必须先生成差分信号。我们首先想到的是设计一个能够生成差分信号的系统，通过这个系统生成差分信号再传输至印制板上。

2.1.1 通用驱动板

通用驱动板是目前加电过程中应用比较成熟的技术，它通过对16 MHz晶振产生的信号进行分频（一般我们选取1 MHz的频率，用10101010…表示），根据这个规则，我们可以得到1 MHz的任意二分频信号，同时也可以获得不同相位的分组信号，如频率为1MHz、相位差为180°的一组信号就可以表示为如图1所示。

图1 频率1 MHz、相位差180°的一组信号示意图

但这只是两组相位差为180°的信号，离我们需要的真正意义上的差分信号还有一些距离，所以不可以用此来代替差分信号。

2.1.2 特制驱动板

实际加电过程中，要产生所需要的差分信号，我们可以通过外接配置电路来实现，即输入单端信号，通过差分驱动电路生成所需的差分信号，市面上一般的差分驱动电路都为塑封电路，耐温不超过85℃，不能直接高温加电，驱动板只能放置于外面，且塑封电路价格便宜、易于获得。以99××驱动板SCH-32路为例，1 MHz单端信号通过CDCV××××生成多路信号，每路信号再经过SN××LVDS×××差分驱动电路形成差分信号。设计驱动板时要注意电源的滤波，以防止对差分信号的干扰，如图2所示。

生成的差分信号传输到印制板上，如果使用普通线路会有很大的耗损，采用双绞线可以有效避免这种情况。但是实际加电过程中发现，一块标准老化板上工位数有几十个，每一个工位都需要单独的双绞线连接，连线冗杂，加电过程中容易断线，保存时也会占用很大的地方，如图3所示。

图2 99××驱动板SCH-32路示意图

图3 标准老化板双绞线连接成品图

外置驱动板的优点在于驱动板制作成本低，材料易得，制作方便，但是外置驱动板在加电时会因为人员因素或者连接本身的机械因素，造成连线脱落等问题，存放时也会挤占存储空间，不易保存。

2.2 内置驱动

外置驱动板的优缺点显而易见，且外置驱动板的不稳定性是一大隐患，在加电过程中因为连线脱落、断裂等问题引起的波动、脉冲，极易造成电路性能的损伤。要彻底根除这个问题，最好的办法就是让连线消失，即将驱动系统直接放置于印制板内部，这样就不需要外围连接线的传输，自然就排除了外置驱动板带来的隐患。

但要实现驱动系统内置并不容易，印制老化板的工作环境温度一般在125℃甚至可达150℃，而我们之前用的差分电路为塑封电路，其工作温度范围为-40～85℃，无法经受这么高的温度，所以首要任务就是寻找合适的差分驱动电路，我们根据资料寻得几款合适的差分电路，如表1所示。

表1 几款差分驱动器的比较

根据性价比及保有量，我们选取JS××CLV××BW作为研究对象，输出端 AA’、BB’、CC’、DD’接 100 Ω阻抗匹配，如图4所示。

图4 JS××CLV××BW差分信号生成系统

AIN、BIN、CIN、DIN 输入 0～3.3 V 的 1 MHz单路高低电平信号，通过使能端控制 AOAO/、BOBO/、COCO/、DODO/输出±3.3 V的差分信号。印制板示意图如图5所示。

图5 JS××CLV××BW印制板示意图

需要特别注意的是差分信号的传输需要走差分等长线，以确保差分信号传输的准确性，降低差分信号传输因受线影响而失真的概率，如图5虚线处所示。

生成的差分信号幅度为±3.3 V，但很多情况下，当我们进行LVDS传输时，信号的幅度要低于3.3 V，因此我们还需要对现有的差分信号驱动系统进行改进，以期能够适应不同幅度的LVDS信号。

如图6所示，将生成的差分信号通过JFX×××进行电平转换（JFX×××支持1.1～3.6 V电源的任意转换），通过控制VCCA和VCCB即可以得到我们想要的幅度的差分信号。

图6 JFX×××电平转换系统

内置驱动由于需承受的温度较高，导致其对芯片、材料的要求也比较高，但输出差分信号稳定、可靠性高、幅度可控，且使用寿命长，降低了生产过程中的使用复杂性，保存时按一般保存方法处理即可，不必进行特殊处理。

3 结果与讨论

本文研究了现阶段几种差分信号实现的方法，各自的优缺点比较明显，具体使用时可以根据用户自身的需求进行选择，如表2所示。

表2 四款差分信号实现方法的比较

我们在系统的输入端输入0～3.3 V、1 MHz的单端信号，信号在经过JS××CLV××BV之后生成±3.3 V的差分信号，根据实际需要再经过JFXL×××进行电压变换，变为±1.2 V、1 MHz的差分信号，如图7所示。从图中我们可以发现内置驱动系统具有稳定的输出，生成的差分信号几乎没有毛刺，平稳光滑，且还可以根据需要灵活地对生成的差分信号进行低电压变换。

图7 差分信号输出监测系统

4 结论

综合比较下来，内置驱动系统生成的差分信号平稳光滑，提升了加电效率，不会对试验电路产生干扰，可以在125℃的高温环境下使用，且可对信号幅度灵活地进行变换。

在集成电路高速发展的今天，提供平稳光滑的差分信号输出是一个十分重要的内容。内置差分信号输出系统输出信号稳定，不仅能适应高低温环境，还能够进行低电压变换，是当前可靠性最高的差分信号生成系统。基于其优越的性能，其在老练试验领域及相关测试领域也会得到越来越广泛的应用。

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