串行接口与LVDS技术：液晶面板连接及其广泛应用
串行接口的广泛应用已经改变了电子设备之间数据传输的方式。作为串行接口技术的先驱，**LVDS（低压差分信号）**技术自1990年代中期被应用于笔记本电脑市场以来，凭借其高速、低功耗、抗干扰能力强等特点，成为了液晶面板和其他高分辨率显示设备的重要连接标准。在本节中，我们将深入探讨LVDS串行接口的基本原理、工作机制以及它如何帮助推动了全球液晶显示技术的革命。
1. LVDS技术的崛起与发展
LVDS的关键优势在于它采用了差分信号传输方式，利用两根信号线传输互补信号。这种方式能够有效减少信号在传输过程中的干扰，尤其适合高速数据传输。这使得LVDS能够提供比传统的单端信号传输系统更高的传输速率和更低的电磁干扰（EMI）。
20世纪90年代，随着液晶显示技术的发展，特别是在笔记本电脑和台式电脑中，液晶显示屏（LCD）的普及速度急剧加快。为了支持更高分辨率的显示和更高刷新率的要求，笔记本电脑和液晶显示器的连接需要一个更快速、更可靠的传输协议。此时，LVDS技术开始作为连接液晶面板与显示控制器之间的核心接口，迅速在市场上获得认可。
2. LVDS的基本原理与工作方式
LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是通过差分信号方式进行数据传输的一种技术，其工作原理基于低电压的两根信号线，其中一根传输正极信号，另一根传输负极信号，接收端通过比较这两根信号线的电压差异来获取数据信息。
低电压振幅：LVDS的信号振幅较低，通常为350mV，相比传统TTL或CMOS信号的逻辑电平，它的电压差较小，这可以有效减少功耗。
高速传输：由于低电压振幅和差分信号的优势，LVDS能够以高速率传输数据，一般可达到几百Mbps至几Gbps的速度，在当时，能够满足液晶显示需求的数据传输速率。
抗干扰能力：由于采用差分信号，LVDS对外部电磁干扰（EMI）有很强的抗干扰能力。此外，它还能够减少相邻信号线之间的串扰，确保数据传输的稳定性。
这种传输方式特别适用于要求高速、低功耗、低干扰的应用场景，而液晶显示技术正是其最早也是最成功的应用领域之一。
3. LVDS在PC市场中的广泛应用
LVDS技术的应用最早出现在笔记本电脑中，尤其是液晶面板与显示控制器之间的连接。随着笔记本电脑市场的快速扩展，LVDS也随之大规模普及，并成为PC显示系统中的标准接口技术。具体来说，LVDS SerDes（串行器/解串器）用于将数据从逻辑板传输到液晶面板，支持多种分辨率和色深配置。
早期应用：最初，LVDS技术在笔记本电脑中以支持XGA（1024x768）分辨率的显示屏为主，后续逐步支持更高分辨率的UXGA（1600x1200）和WUXGA（1920x1200）等液晶面板。
与芯片组集成：随着时间的推移，LVDS SerDes被集成到PC芯片组和液晶时序控制器（TCON）IC中，支持更高分辨率、更多颜色深度的显示输出，推动了高清液晶显示技术的普及。
持续使用：尽管2012年左右，LVDS逐渐被嵌入式DisplayPort（eDP）取代，但LVDS在笔记本电脑市场的支持持续了超过15年，直到最近才被全面替代。
4. LVDS作为通用串行接口技术
LVDS SerDes并不局限于液晶面板与显示控制器的连接，它实际上是一种通用的串行接口技术，可以用于许多需要高速数据传输的应用中。例如：
汽车电子：在汽车行业，LVDS常用于车载显示器、后视镜、内窥镜等系统中，提供高质量的视频和图像传输。
工业自动化：在自动化控制和机器视觉系统中，LVDS被广泛应用于摄像头、图像传感器等设备的高速数据传输。
医疗设备：例如超声波成像设备、内窥镜等医疗影像系统，也经常采用LVDS技术来实现高分辨率、高速图像传输。
总的来说，LVDS作为一种高性能、低功耗、高抗干扰的串行接口技术，早已超越了液晶面板的应用范围，广泛用于各种需要高带宽、高可靠性的场景中。
5. 未来发展与LVDS的技术演进
尽管LVDS在高速数据传输领域具有显著优势，但随着显示技术的进一步发展和应用需求的升级，LVDS逐渐被其他更高带宽、支持更高分辨率的接口技术所替代，如eDP、MIPI DSI等。例如，eDP支持更高分辨率和更高刷新率的显示，且具备更好的集成性和扩展性，这使其在现代笔记本和台式机市场逐渐取代LVDS。
然而，LVDS技术的坚固基础和广泛应用依然使其在许多行业中保有一席之地，特别是在不需要过高带宽的应用场合，如工业、汽车和低功耗设备等领域。未来，随着多通道LVDS和更高频率的串行技术（如V-by-One® HS）的发展，LVDS仍将继续满足一些特殊领域的需求。
6. 总结与展望
作为串行接口技术的先驱，LVDS技术自1990年代中期以来对液晶显示技术的发展产生了深远影响，并推动了高速数字信号传输的普及。尽管新技术如eDP和V-by-One® HS逐步取代了LVDS在部分应用中的主导地位，但其在高速、低功耗、高抗干扰等方面的独特优势依然使其在很多行业中保持重要地位。未来，随着新型应用的不断涌现，LVDS将继续发挥其独特作用，尤其在汽车电子、工业自动化和医疗设备等领域的高速数据传输中，仍然是一项重要的技术选择。
高速数据传输中的 LVDS SerDes 技术
要充分利用 LVDS（低压差分信号）SerDes 技术，首先必须了解它的物理层标准。LVDS 于 1995 年被标准化为 ANSI/TIA/EIA-644A，成为串行接口的物理层规范。该标准通过 3.5mA 恒定电流激活信号，并以 350mV 的低电压摆幅传输高速差分信号数据。其工作时采用 100Ω 的负载端接，能够支持最大数据传输速率为 655M 位/秒。然而，随着半导体技术的进步，数据传输速率已经能够达到 3G 位/秒，远超标准的上限。
LVDS 信号的传输方式
在 LVDS 系统中，数据是以差分信号形式传输的。差分信号通过两条信号线传输，分别是正信号（A+）和负信号（B-）。这两个信号围绕 1.2V 的共模电压（Voc）进行摆动，并保持 350mV 的电压差异。这种差分信号传输方式具有许多优点，尤其是在抗干扰和长距离传输方面。
信号波形和测量
如图 2 所示，LVDS 差分信号波形显示了正负信号之间的电压摆幅差异。通过连接差分探头到示波器，可以准确地测量到两个信号之间的电压差异（[A+] – [B-]）。该波形的特性说明了差分信号在信号传输中的重要作用，这种方式有效降低了外界干扰对信号质量的影响。
接收器的共模电压范围
图 3 显示了 LVDS 接收器的共模电压（Voc）范围。尽管发送器侧以 1.2V 的共模电压输出数据，但接收器能够在 0.2V 至 2.2V 的范围内接收数据，这意味着接收器具有很强的共模电压耐受性。这一特性使得 LVDS 系统对电压波动的适应性更强，确保了数据的稳定传输。
LVDS 技术的优势
抗电磁干扰（EMI）能力：由于差分信号传输方式，LVDS 技术能够有效抑制电磁干扰（EMI）噪声的辐射。这种特性使得 LVDS 在电磁噪声环境下仍能保证数据传输的可靠性。
长距离传输：LVDS 的低电压摆幅使得它非常适合用于长距离的数据传输，即使在传输过程中出现一些衰减，也能保证数据的完整性。
高共模电压耐受性：LVDS 接收器具有宽广的共模电压范围，使得其能在不同电气环境下稳定工作。
LVDS SerDes 的实际应用
LVDS SerDes 技术最适合用于那些需要高速数据传输、低功耗、低干扰的应用场合。例如：
多功能打印机（MFP）：LVDS 技术的低电压、低功耗特性使其在 MFP 等设备中得到了广泛应用，尤其是在需要高分辨率图像传输的场合。
汽车电子：在汽车领域，LVDS 经常用于车载显示器、后视镜显示以及摄像头等需要高速数据传输的系统。
工业自动化与机器视觉：LVDS 还被广泛应用于工业自动化系统中，尤其是机器视觉系统，通过提供高速数据传输来处理高分辨率图像。
总结
LVDS SerDes 技术通过采用低电压差分信号（350mV）进行高速数据传输，不仅提供了高共模电压耐受性，还有效抑制了电磁干扰，确保数据传输的稳定性和可靠性。随着技术的进步，数据传输速率不断提高，LVDS 技术已不再局限于液晶面板的应用，而是在许多其他高速数据传输需求中发挥着至关重要的作用。
LVDS：高速差分传输技术
LVDS（低压差分信号），于1995年作为ANSI/TIA/EIA-644A标准化，是一种串行接口的物理层规范。它通过差分信号传输数据，具有低功耗、高速传输和抑制电磁干扰（EMI）的优点。下面，我们来详细了解LVDS的基本原理以及它在高性能系统中的应用。
LVDS技术的核心原理
LVDS的工作原理是通过差分信号传输数据。与传统的单端信号传输（如TTL/CMOS）不同，LVDS使用两根信号线来传输互为反向的信号（即正信号和负信号），并通过差分电压来表示数据。这种差分传输方式具有以下几个优势：
恒定电流驱动：LVDS信号由3.5mA的恒定电流激活，确保信号稳定传播，减少失真。
低电压摆幅：LVDS的电压摆幅非常低，只有350mV，远低于传统单端信号技术的电压要求。这降低了功耗，并减少了电磁干扰（EMI）。
终端电阻：信号传输线路端接100Ω负载，这样可以保证信号的完整性，减少反射。
数据传输速度
根据ANSI/TIA/EIA-644A标准，LVDS的最大数据传输速率为655Mbps。但随着半导体技术的进步，LVDS的传输速度已经达到了3Gbps左右，这使得LVDS可以支持更高的数据传输要求。
差分信号波形示例
LVDS使用差分信号进行数据传输，即通过两根信号线（正信号A+和负信号B-）传输信号。这些信号以一个共模电压（Voc）为中心，通常是1.2V。两个信号之间的电压差为350mV。
图2展示了LVDS差分信号的波形：
差分信号传输：正信号A+和负信号B-是互为反向的，这样可以有效抵抗外部噪声的干扰，提升抗干扰能力。
电压摆幅：两个信号之间的电压差为350mV，这个电压差就是传输的数据。由于采用差分信号，接收端只需要关注这350mV的差异，而不关心信号的绝对电压值。
信号完整性：通过差分传输，LVDS能够有效抑制噪声的影响，保证数据的高完整性。
LVDS的优势
低功耗：由于低电压摆幅（350mV）和恒定电流驱动，LVDS是一种非常高效的信号传输技术，适用于对功耗要求严格的应用。
抑制EMI：差分信号的使用使得LVDS能够有效抑制电磁干扰（EMI），这对于电子设备尤其重要，特别是对于高噪声环境下的设备，如医疗设备、汽车电子和消费类电子产品。
长距离传输：LVDS支持高速数据传输，且在较长距离上传输信号时性能稳定，适合用于显示器、高速数据通信等需要长线缆的应用。
高速数据传输：LVDS可以达到3Gbps的数据传输速率，远超初始标准中的655Mbps，这使得LVDS能够满足现代电子系统中对高速数据传输的需求。
LVDS的应用
显示接口：LVDS最初应用于笔记本电脑的液晶显示器接口，连接显示面板和图形处理器。如今，它仍然是显示接口的常用标准，广泛应用于液晶电视、桌面显示器等设备。
工业和汽车系统：LVDS在工业自动化、汽车电子等领域有着广泛的应用，尤其是在需要高速数据传输和强抗干扰能力的场合。
相机和成像系统：LVDS也应用于相机系统，例如机器视觉和汽车摄像头，在这些应用中，需要高速传输高分辨率的图像数据。
结论
LVDS作为一种差分信号传输技术，凭借其低功耗、低电压摆幅、高数据传输速率和良好的抗干扰能力，已经成为现代高速数据接口的重要技术。无论是在显示接口、工业自动化、汽车电子还是成像系统中，LVDS都发挥着至关重要的作用，并随着技术的发展，能够支持更高的数据传输速率，满足未来更高性能系统的需求。
在LVDS（低压差分信号）系统中，正信号（A+）和负信号（B-）之间的电压差是通过差分传输实现的。具体来说，这两个信号的电压摆幅为350mV，它们的中间有一个共同的基准电压，通常为1.2V的共模电压（Voc）。这种差分信号的设计使得信号能够更加稳定，减少外界噪声的干扰。
信号波形与差分测量
如图2所示，使用差分探头连接到示波器时，可以观察到两个信号（A+和B-）之间的电压差。尽管示波器显示的是两个信号的电压摆幅差异（[A+] – [B-]），但这并不意味着实际的信号波形是通过两个信号直接表示出来的。因为在物理上传输的是A+和B-之间的差值，而不是它们的绝对电压。
举例说明：
例如，假设正信号A+的电压为1.4V，负信号B-的电压为1.05V，那么它们之间的差值就是350mV（1.4V - 1.05V）。这种差分信号通过两条导线传输，不仅具有更好的抗干扰能力，还能确保数据传输的准确性。
在差分信号中，信号的实际传输并不依赖于单独的A+或B-的绝对电压，而是它们之间的电压差。这种设计使得差分信号在长距离传输时仍然能保持较高的信号完整性。
LVDS接收器的共模电压范围（Voc）
如图3所示，LVDS接收器的共模电压（Voc）范围是非常宽的，通常在0.2V到2.2V之间。这意味着，虽然发送端通常以1.2V的共模电压输出信号，但接收端可以接收在这个范围内的信号。这个宽范围的共模电压适应性允许接收器在不同的工作条件下仍然能够正确解码差分信号。
总结
差分信号：LVDS通过A+和B-两个信号线之间的电压差传输信息，这种设计不仅提高了信号的抗干扰能力，也使得信号在长距离传输时保持较高的信号质量。
共模电压范围：LVDS接收器的共模电压范围很宽，意味着它对信号的绝对电压不敏感，而是依赖于差分电压差，这增加了系统的灵活性和稳定性。
因此，LVDS作为一种差分传输技术，能够有效地在高速传输和低功耗之间实现平衡，并且具有良好的抗电磁干扰（EMI）能力，适用于各种需要高性能传输的电子设备。
正如图3所示，LVDS接收器具有宽广的共模电压（Voc）接收范围。虽然发送端以1.2V的共模电压输出数据，但接收端的接收范围可以在0.2V至2.2V之间，这使得LVDS系统在多种环境下具有较高的容错性和稳定性。
此外，由于LVDS SerDes以低电压摆幅的差分信号形式传输数据，这种传输方式具有很强的抗电磁干扰（EMI）能力。差分信号的设计有助于抑制电磁噪声的辐射，减少外部干扰源对信号的影响，从而保护其他电路不受负面影响。这是LVDS SerDes被广泛应用于对信号噪声敏感的电子设备的原因之一。例如，在液晶显示、汽车电子和通信系统中，LVDS技术可以确保信号的高完整性和稳定性，尤其是在高频率和长距离传输时。
总结：
广泛的Voc接收范围：LVDS接收器对共模电压具有宽泛的适应性，确保了数据传输的稳定性。
抑制EMI噪声：由于使用低电压摆幅的差分信号，LVDS可以有效抑制电磁干扰，保证信号不受外部噪声影响，适合在对噪声敏感的环境中使用。
因此，LVDS SerDes技术不仅能提供高速的数据传输，还能在恶劣的电磁环境中保证信号的清晰和可靠性。
总结来说，LVDS SerDes的优势在于其能够在较长距离上高速传输数据、高共模电压耐受性以及低电磁干扰（EMI）噪声。它最适合应用于那些需要这些优势的电子设备。一个典型的例子就是多功能打印机（MFP）。
在多功能打印机中，LVDS SerDes不仅用于与液晶显示面板进行接口连接，还用于将扫描仪（图像传感器）获取的图像数据传输到进行图像处理的主板。在打印机内部，设备之间的距离通常较远（见图4）。由于LVDS SerDes具有在数米距离内传输数据的能力，即使是使用薄电缆时，数据也能无问题地传输，尽管这取决于电缆的时延差异和功率损耗的程度。因此，LVDS SerDes被认为是实现内部（机内）高速数据传输的最合适方案之一。
关键优势总结：
高速传输能力：LVDS SerDes能够在较长的传输距离上维持高速数据传输，这对于多功能打印机内部各个组件之间的连接至关重要。
高共模电压耐受性：在复杂的电子环境中，LVDS的共模电压适应范围使得数据传输在不同电压条件下都能稳定进行，避免了由于电压波动导致的信号丢失。
低EMI噪声：由于差分信号传输设计，LVDS有效抑制了电磁干扰（EMI），确保信号的清晰度和稳定性，即使在电磁环境较为复杂的情况下。
总的来说，LVDS SerDes技术因其优异的抗干扰能力和高效的数据传输特性，成为了许多电子设备中不可或缺的核心技术，尤其是在需要高速、长距离和低干扰的应用场景中，如多功能打印机、高清电视、安防监控系统等。
抗信号时延差和共模电压能力
目前，市面上有多种LVDS SerDes产品可供选择。以下将以THine的产品系列为例，介绍一些实际的LVDS SerDes产品。
LVDS SerDes的基本配置（如图5所示）
在图5中，我们可以看到LVDS SerDes的基本工作原理。具体来说：
串行化器（Serializer）：接收四个7位数据流（即28位数据）。这些数据流被转换成串行的LVDS信号，随后发送到解串器（Deserializer）。
时钟信号：时钟信号与数据流分开传输，用于确保数据传输的同步性。
解串器（Deserializer）：解串器使用接收到的时钟信号调整接收数据的时序，并将四个7位的LVDS数据流转换成TTL/CMOS格式的数据输出。
这种机制能够实现高速稳定的串行数据传输，特别适合用于长距离的数据传输和需要抗干扰的应用场景。
THine的LVDS SerDes产品系列
THine提供了多个LVDS SerDes产品，以下是其六大特点：
高抗时延差能力：
LVDS SerDes能够在信号传输过程中克服由电缆时延差引起的问题，尤其是在长距离传输时。这使得其特别适合用于多功能打印机、电视、监控系统等设备中，能够确保数据的同步性和准确性。宽共模电压耐受性：
LVDS SerDes产品的接收端具有较宽的共模电压范围。例如，即使发送端信号的共模电压为1.2V，接收端的电压范围可以从0.2V到2.2V，这让LVDS在电压波动较大的环境中也能稳定工作。低电压摆幅与低EMI噪声：
LVDS采用差分信号传输，在降低电压摆幅的同时，有效抑制电磁干扰（EMI）。这对于高精度电子设备（如图像传感器、医疗设备等）尤其重要，因为它们需要在低噪声的环境中工作。高数据传输速率：
尽管LVDS的标准传输速率最高可达655Mbps，但随着半导体技术的进步，很多LVDS SerDes产品已经可以实现更高的数据传输速率，达到3Gbps甚至更高。这使得LVDS技术适应了越来越高分辨率和更高帧率的需求。支持长距离传输：
LVDS SerDes能够在几米甚至更远的距离内可靠传输数据，这对于需要远程设备连接的场合非常有用。例如，LVDS SerDes被广泛应用于需要长距离连接的多功能打印机、液晶电视、安防摄像头等设备中。低功耗：
由于LVDS采用低电压摆幅的差分信号传输，它的功耗比传统的单端信号传输系统要低，特别适合于电池驱动的设备或需要节能的系统。
结语
通过以上分析，LVDS SerDes技术的强大优势在于其高效、高速、低干扰的特点，这使得它成为众多电子设备中不可或缺的核心技术。无论是在图像数据传输、传感器接口还是高速数据链路中，LVDS SerDes都能提供稳定、可靠的解决方案。
