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Entwicklung der LVDS-Signalübertragungstechnologie

Die Menge der übertragenen Daten ist Gigabit, der Verbrauch beträgt Milliwatt

Einleitung

Der Low Voltage Differential Signalling (LVDS) -Standard ist heute die beste Lösung für Systeme mit schnellen und verbrauchsarmen Schnittstellen. Bei Verwendung von LVDS wird eine hohe Austauschgeschwindigkeit bei geringem Stromverbrauch erreicht. Weitere Vorteile sind die Kompatibilität mit Niederspannungsnetzteilen, geringe Störungen und zuverlässige Signalübertragung. Aus diesen Gründen wird dieser Standard in der Herstellung in verschiedenen Marktsegmenten, in denen Geschwindigkeit und geringer Verbrauch erforderlich sind, weit verbreitet. Typische Anwendungen dieses Standards sind Verbindungen von Platinen und Kabeln in Kommutationsschaltern, Routern, Industriekameras sowie in Autounterhaltungs- und Fahrzeugsteuerungssystemen. Trotz all dieser Vorteile gibt es einige Einschränkungen hinsichtlich der Verwendung in Geräten, die Unterstützung für mehrere Transceiver auf demselben Bus, Strom von einem Niederspannungsbus und Empfänger mit einem erweiterten Common-Mode-Bereich benötigen. Dies führte zur Entstehung neuer LVDS-Standards, die den ursprünglichen Standard ergänzen.

Der Standard für die Übertragung von Niederspannungs-Differenzsignalen (LVDS)

Im Jahr 1994 führte National Semiconductor erstmals Low-Voltage-Differential (LVDS) -Transmissionstechnologie als Standardschnittstelle ein. Die Bandbreitenanforderungen nahmen exponentiell zu und Systementwickler suchten nach Wegen, um die Leistungsverluste zu reduzieren. Normalen Standards, wie RS-422 und RS-485, fehlte die Geschwindigkeit, während ECL (emitter-coupled logic circuits) und CML (logic circuits with current switches) eine ausreichende Austauschrate hatten, aber zu viel Leistung verbrauchten. Die LVDS-Technologie hat dazu beigetragen, dieses Problem ohne Kompromisse zu lösen. Dies ist eine differentielle Technologie, das heißt, es verwendet zwei Leitungen, um das Signal zu übertragen (Abbildung 1). Zusätzlich wird bei Verwendung von LVDS ein Signal mit einer Stromschleife übertragen, während der Logikpegel (hoch oder niedrig) durch die Stromrichtung in der Schleife (im oder gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt wird. Ungefähr 3,5 mA gehen durch ein Drahtpaar und kehren in einem anderen zurück. Ein Anpassungswiderstand erzeugt eine Spannung (ca. ± 3,5 mA x 100 Ω = ± 350 mV). Ein Empfänger, ein Differenzkomparator, bestimmt die Polarität des Spannungsabfalls, wobei ein positiver Spannungswert einem hohen Logikpegel entspricht, ein negativer Wert einem niedrigen Wert. Der Treiber liefert 350 mV Differenzspannung am Ausgang bei etwa +1,25 V. Die Triggerschwelle des Empfängers ist mit einem Eingangsbereich von 0 bis +2,4 V auf 100 mV eingestellt. Dadurch kann sich das nominale aktive Signal um 1 V in nach oben oder nach unten verschieben In-Phase-Modus aufgrund der Massepotentialdifferenz. Der Treiber ist für die Verwendung mit einer Last von 100 Ohm ausgelegt, mit einem passenden Widerstand von 100 Ohm.

Eine vereinfachte LVDS-Treiber- und -Empfängerschaltung, die über einen Träger mit einer differentiellen Impedanz von 100 Ohm verbunden ist
Abbildung 1. Vereinfachte LVDS-Treiber- und Empfängerschaltung, die über einen Träger mit einer differentiellen Impedanz von 100 Ohm verbunden sind

Das Differentialkonzept führt zu einer hohen Verstärkung in Form von Gleichtaktunterdrückung. Aufgrund der hohen Störfestigkeit kann die Signalamplitude auf wenige hundert Millivolt reduziert werden. Eine kleinere Amplitude ermöglicht einen schnelleren Datenaustausch, da Anstieg und Abfall des Signals gut kontrolliert werden und innerhalb von 1 V / ns gehalten werden. Ein relativ konstanter niedriger Ausgangsstrom reduziert Hintergrundrauschen und Leistungsrauschen. Da der Strom in dem Sendepaar eine eng verbundene Stromschleife ist, verschwinden die elektrischen Streufelder oft, wodurch elektromagnetische Interferenz reduziert wird. Der Wechselkurs variiert je nach Gerät, liegt aber bei konstantem Strom bei 1,5 Gbit / s. Die Leistung wird auf drei Arten minimiert. Der Laststrom ist auf 3,5 mA begrenzt, der Strommodustreiber begrenzt in der Regel die Verlustleistung, und der Ruhestrom wird durch CMOS-Prozesse im Submikrometerbereich auf ein Minimum reduziert. Die Übertragung von Niederspannungsdifferenzsignalen (LVDS) ist in dem ANSI / TIA / EIA-644-A-2001-Standard definiert, der eine Aktualisierung des ANSI / TIA / EIA-644-Standards von 1995 ist. Diese Norm spezifiziert nur die Pegel der elektrischen LVDS-Signale, dh die Treiberausgangs- und Empfängereingangseigenschaften. Dieser Standard muss zusammen mit anderen Standards angewendet werden, die die vollständige Schnittstelle einschließlich Protokoll, Verbindungen und Medien definieren. Dies sind Standards wie Camera Link oder der FPD-Schnittstellenstandard für Laptops, definiert durch die SPWG (Working Group of Standard Consoles), sie wird auch in vielen Spezialanwendungen eingesetzt. Darüber hinaus gibt es andere Standards. In Abb. 2 zeigt die Amplituden der Signale und die Vorspannung (jeweils) der verschiedenen LVDS-Standards.

Differenzielle Wellenformen und Verschiebungsvergleich
Abbildung 2. Oszillation der Differenzialsignale und Vergleich der Verschiebung

Bis heute werden LVDS-Kristalle und Kristallsätze mit vielen Funktionen von mehreren Firmen angeboten. Zusätzlich zu einfachen linearen Treibern und Empfängern, die die Konvertierung zwischen den LVDS- und LVTTL-Ebenen durchführen, gibt es LVDS-LVDS-Puffer, Koordinatenschalter, Signalverteiler (Splitter) und Taktverteilungsvorrichtungen.

Besonders interessant sind die Kristallsätze für die Umwandlung von parallel nach seriell und umgekehrt (SerDes), da sie die Geschwindigkeit von LVDS erhöhen, was einen großen Vorteil für das gesamte System darstellt. LVDS-Technologie bietet die Möglichkeit, I / O mit zusätzlichen Schaltungen zu integrieren, wie zum Beispiel: PLL (Phase-Locked-Loop) -Schema für die Umwandlung von paralleler zu serieller Form; mit einem Latch und sogar digitalen Schaltungen, zum Beispiel mit einem Test-Port eines Boundary SCAN Test Access Port. In Abb. 3 zeigt ein Beispiel eines ähnlichen Satzes von SerDes-Kristallen. Der Seriell-Seriell-Wandler SCAN92LV1025 sammelt 10 langsame Eingangssignale von TTL-Schaltungen und serialisiert diese in einen Hochgeschwindigkeits-LVDS-Kanal.

Crystal LVDS Konverter von parallel zu seriell Form / Konverter von seriell nach parallel mit zusätzlichem JTAG Test
Abbildung 3. LVDS-Parallel-Seriell-Konverter / Seriell-Parallel-Konverter mit JTAG-Test hinzugefügt

Die Taktsignale des Senders werden in den seriellen Datenstrom integriert, indem die Daten mit den Bits Start (HIGH) und Stop (LOW) markiert werden. Die schmale LVDS-Schnittstelle erfordert nicht die Verwendung von mehreren Kontakten, umständlichen schweren Verbindern und Kabeln, was wiederum die Kosten des Systems reduziert. Der Seriell-Parallel-Wandler SCAN92LV1226 empfängt das LVDS-Signal, extrahiert das Synchronisationssignal aus dem Datenstrom und erzeugt einen 10-Bit-TTL-Bus. Die Bandbreite dieses Kristalls kann 800 Mbit / s an nützlicher Information erreichen. Solche technischen Lösungen von SerDes eignen sich ideal für Systeme, bei denen eine Feinverdrahtung erforderlich ist, z. B. Anschließen von Videosensoren an Fahrgestelle, Manipulatoren, Verbindungen zu Messköpfen in automatischen Prüfeinrichtungen usw. Es gibt einige Einschränkungen von LVDS, wie z. B. ein Gleichtaktsignal von ± 1 V und eine Endlast von 100 Ohm. Dies führte zu verschiedenen Variationen des LVDS 1- Standards.


1) Zum Beispiel:

  1. Standard ANSI / TIA / EIA-644 LVDS.
  2. Standard ANSI / TIA / EIA-644-A LVDS.
  3. Standard ANSI / TIA / EIA-899 M-LVDS.
  4. Spezifikation von JEDEC GLVDS, Version 1.0.
  5. JEDEC SLVS (JESD8-13) Oktober 2001.

Bus-Topologie

Zunächst wird LVDS in speziellen Hochgeschwindigkeits-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet. Der Treiber muss mit der Linie ausgerichtet werden, und die Verbindungsparameter müssen basierend auf dem charakteristischen Eingangswiderstand des Kabels ausgewählt werden. Dadurch wird eine hohe Qualität der Signalübertragung erreicht, und Reflexion und Abstrahlung werden minimiert. Um den Unterschied zwischen den Implementierungen der LVDS - Technologie zu erklären, müssen die Grundkonfigurationen der Reifen, deren verschiedene Konstruktionen in Abb. 4. Der einfachste ist ein unidirektionaler Bus mit zwei Punkten, am Ende des Kabels gibt es nur einen Abschlusswiderstand und der Treiber befindet sich immer am gegenüberliegenden Ende des Kabels. Aufgrund der hohen Störfestigkeit unterstützt die Punkt-zu-Punkt-Konfiguration hohe Datenraten. Diese Busstruktur ermöglicht die einfache Erstellung von Gigabit-Netzwerken. In diesem Fall muss für eine bidirektionale Datenübertragung eine separate Zeile (2 Paare) ausgewählt werden. In diesem Fall kann eine zeitweilige Übertragung von Daten in zwei Richtungen ausgeführt werden, und die Kapazität des gemeinsamen Busses wird verdoppelt.

Verschiedene Bus-Topologien
Abbildung 4. Verschiedene Bus-Topologien

Eine andere übliche Konfiguration ist ein klassisches Verteilungssystem oder ein Mehrpunktbus. Die Verwendung dieser Konfiguration ist besonders effektiv, wenn Sie dieselben Informationen gleichzeitig an mehrere Punkte übertragen müssen. Wie im vorherigen Fall befindet sich der Treiber an einem Ende des Busses und der Abschlusswiderstand befindet sich auf der anderen Seite. Entlang des Reifens befinden sich zwei oder mehr Empfänger mit kleinen Verbindungsdrähten. Die elektrische Länge dieser Drähte sollte so klein wie möglich sein, um zu verhindern, dass sich die Signalqualität aufgrund von Reflexion, Interferenz usw. verschlechtert. Die Wechselrate bei Verwendung von Multipoint-Bussen kann je nach Anschlussdrähten und Last 400-600 Mbit / s erreichen. Die flexibelste Konfiguration ist ein Mehrpunktbus mit einer Anpassung an beiden Enden des Verbindungsdrahts. Der Fahrer kann überall im Bus sein. Der Betrieb mehrerer Treiber ist gleichzeitig unmöglich, daher hat die Datenübertragung eine zweiseitige Halbduplex-Natur. Das Verbinden von Netzwerkknoten mit dem Bus kann kritisch sein, also sollte es ordentlich gemacht werden. Für Systeme mit zwei Abschlusswiderständen, den so genannten Mehrpunktsystemen, werden leistungsstärkere Treiber benötigt, um Oszillationen wie LVDS zu erzeugen, während die Last von 30 bis 50 Ohm reicht.

Abgeleitete LVDS

Die Tabelle zeigt die Hauptparameter einiger LVDS-Varianten.

Tabelle 1. LVDS-Vergleichstabelle

Parameter LVDS BLVDS M-LVDS GLVDS LVDM
Amplitude am Ausgang 250 - 450 mV 240 - 500 mV 480 - 650 mV 150 - 500 mV 247 - 454 mV
Vorspannung 1.125V 1,3 V 0,3 - 2,1 V 75 - 250 mV 1.125V
Fertigstellung 100 W 27 - 50 W 50 W. Intern zu RX 50 W.
Anregungsstrom 2,5 - 4,5 mA 9 bis 17 mA 9 bis 13 mA Einstellbar 6 mA
Kurzschlussstrom <24 mA <65 mA <43 mA - -10 mA
Schwellenwerte ± 100 mV ± 100 mV ± 50 mV ± 100 mV ± 100 mV
Eingangsspannung 0 bis +2,4 V 0 bis +2,4 V -1,4 bis +3,8 V -0,5 bis +1 V 0 bis +2,4 V
In-Phase-Modus ± 1 V ± 1 V ± 2V ± 0,5 V ± 1 V

LVDS-Bus

Im Jahr 1997 führte National Semiconductor den LVDS-Bus ein, um Boards mit hoher Last und niedriger Eingangsimpedanz zu verwalten. Karten mit einer großen Anzahl von Karten (bis zu 20 Stück) auf einem kleinen Platz haben normalerweise einen Eingangswiderstand innerhalb von 50-60 Ohm. Bei einer Anpassung an beide Enden, beispielsweise 54 Ohm, trifft der Treiber tatsächlich auf eine Last von 27 Ohm. Um die LVDS-Amplituden zu erhalten, muss der Ausgangsstrom des Treibers auf einen Bereich von 10-12 mA verdreifacht werden. Eine weitere Verbesserung dieser Technologie bestand in der Anpassung der gesamten Impedanzen der Treiberausgänge sowie in der Technologie, die gleichzeitige Verwendung eines Kanals zu verhindern. Wenn mehrere Treiber gleichzeitig versuchen, auf den Bus zuzugreifen, wird der Ausgangsstrom verringert, um die E / A-Geräte nicht zu beschädigen.

M-LVDS

Eine neuere Version von LVDS ist der ANSI / TIA / EIA-899-Standard, bekannt als M-LVDS (Multipoint-LVDS). Diese Version unterstützt einen Multipoint-Bus mit doppeltem Matching und kann bis zu 32 Knoten nutzen. M-LVDS erweitert auch den Gleichtaktbereich auf ± 2 V. Die maximale Kommunikationsgeschwindigkeit beträgt 500 Mbps. In der Praxis ist die Geschwindigkeit begrenzt auf 300-400 Mbit / s, abhängig von verschiedenen Parametern, beispielsweise der Länge des Anschlusskabels und der erforderlichen Signalqualität. M-LVDS hat einen Ausgangsstrom von 9-13 mA und wird sowohl an die Kabel- als auch an die Platinenanschlüsse angelegt. Wenn lange Kabel verwendet werden, steigt die Wahrscheinlichkeit eines großen Unterschieds zwischen den Massepotentialen. Daher hat der M-LVDS-Standard den Bereich des Common-Mode-LVDS für eine höhere Stabilität auf ± 2 V verdoppelt. M-LVDS unterscheidet auch zwischen zwei Arten von Empfängern (Abbildung 5). Typ 1, der "Datenempfänger" genannt wird, hat Schwellenwerte von ± 50 mV mit einer herkömmlichen Hysterese von 30 mV. Typ 2 oder "Steuerempfänger" schaltet den Ausgang auf LOW, wenn die Eingangsspannung unter 50 mV fällt. Der Ausgang schaltet bei einer Eingangsspannung von mehr als 150 mV auf HIGH. Der Vorteil der Verschiebung des Schwellenbereichs um +50 mV ist das Auftreten eines Rauschabstandes von 50 mV.

M-LVDS-Empfänger Typ 1 und Typ 2
Abbildung 5. M-LVDS Typ 1 und Typ 2 Empfänger

Die Ausgänge sind in diesem Fall in die Position LOW (störungsfreier Betrieb) geschaltet. Übrigens wurde M-LVDS von PICMG (PCI-Gruppe für die Herstellung von Computern für die Industrie) als Signalübertragungsstandard für die Verteilung von Taktsignalen in ATCA-kompatiblen Datenübertragungssystemen (ATCA - moderne Computerarchitektur für die Telekommunikation) ausgewählt.

GLVDS

GLVDS (korreliert mit LVDS Land) ist die Entwicklung eines der größten Telekommunikationsunternehmen. Die GLDVS-Technologie ähnelt LVDS, mit der Ausnahme, dass der Offset der Treiberausgangsspannung näher am Massepotential liegt. Durch Verringern der Vorspannung können die GLVDS-Eingänge und -Ausgänge in dedizierte ICs eingebettet und von Niederspannungsquellen von 0,5 V betrieben werden. GLVDS wird vom JEDEC-Normenausschuss zur Annahme als Standard betrachtet. JEDEC hat bereits einen Standard veröffentlicht, der vieles mit GLVDS gemeinsam hat. Dies ist der SLVS-Standard, der für "variable Niederspannungssignalisierung für 400 mV" (JESD8-13) steht. Diese Schnittstelle ist mit dem Massepotential konsistent und hat zwei Optionen für Treiber und Empfänger. Empfänger können entweder unidirektional oder differenziell und Treiber sein - sowohl für Punkt-zu-Punkt-Anwendungen als auch für Mehrpunktanwendungen. Der Wechselkurs variiert im Bereich von 1-3 Gbit / s, jedoch nur für kurze Entfernungen (weniger als 30 cm). Daher beschränkt sich die Anwendung dieser Schnittstelle auf den Bereich der Hochgeschwindigkeitsverbindungen von Kristall zu Kristall. Dank einer Amplitude von 400 mV und Masseanpassung beträgt die Spannung des Leistungsbusses nur 0,8 V. Damit ist diese Schnittstelle kompatibel mit Niederspannungskernen, die in ultradünnen Kristallen spezialisierter ICs verwendet werden.

LVDM

Texas Instruments hat eine Reihe von Komponenten entwickelt, die für Anwendungen mit einer doppelten Anpassung von 100 Ohm entwickelt wurden. Der Ausgangsstrom des Treibers ist zweimal höher als der Standard für LVDS, dh 6 mA nominal. Somit werden bei einer Last von 50 Ohm LVDS-Pegel erreicht. Diese Technologie kann verwendet werden, wenn mit bidirektionalen "Punkt-zu-Punkt" - oder Multipunkt-Bussen mit geringer Last gearbeitet wird.

Fazit

Der LVDS-Standard gibt dem Entwickler die Möglichkeit, die notwendigen Eigenschaften des Systems nicht zu opfern. Bei Verwendung dieses Standards werden Daten mit hoher Geschwindigkeit übertragen, es wird wenig Strom verbraucht, das System ist resistent gegen Rauschen, und es werden nur wenig elektromagnetische Störungen erzeugt. Neue LVDS-Typen ergänzen den ursprünglichen Standard am besten und ermöglichen den Einsatz in einer noch größeren Anzahl von Anwendungssystemen. In naher Zukunft werden die Datenraten steigen und die Versorgungsspannung wird sinken. Unter den Bedingungen der Senkung des Stromverbrauchs, der Verringerung von elektromagnetischem Rauschen und Übersprechen wird die Tendenz, die durch die Erzeugung von LVDS ausgelösten Amplituden zu verringern, in den folgenden Jahren wahrscheinlich bleiben.

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