FPGA与LVDS信号兼容性分析方法

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很多工程师在使用Xilinx开发板时都注意到了一个问题，就是开发板中将LVDS的时钟输入（1.8V电平）连接到了VCCO=2.5V或者3.3V的Bank上，于是产生了关于FPGA引脚与LVDS（以及LVDS-33，LVDS-25）信号相连时兼容性的问题，该专题就解决一下这类问题。总的来说，只要按照下面图 1和图 2流程进行判断即可。

这里补充一点知识，Xilinx的FPGA从7系开始分HR IO Bank和HP IO Bank，其中HR（High Range）Bank支持1.2V，1.5V，1.8V，2.5V以及3.3V供电；而HP（High Performance）Bank只支持1.2V，1.5V，1.8V供电，不再支持2.5V和3.3V供电。

图 1

图 2

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。

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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 判断的根本原因。
4. 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的共模电压以及峰峰值的指标是否满足。例如Kintex系列的器件需要查阅DS182中的相关参数，如下图所示。

图 3

图 4

1. 当LVDS作为输入引脚时，如果相应Bank的VCCO与对应的电平标准不匹配，即使可以使用，但DIFF_TERM功能一定不可使用。
2. 当LVDS作为输入引脚时，如果确实没有办法满足图 1和图 2的条件时，可以使用AC耦合的解决方案。其原理在于所谓的电平不匹配都是共模电压不匹配，如果使用如图 5所示的电路，其中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R _BIAS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。

图 5

1. Xilinx FPGA中的LVDS current-mode driver是真正的电流驱动器，不是电压模拟型的驱动器。

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附录 参考文档

[1] https://www.xilinx.com/support/answers/43989.html

[2] UG470 7 Series FPGAs SelectIO Resources

[3] DS182 Kintex-7 FPGAs Data Sheet: DC and AC Switching Characteristics