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Die Entwicklung der Signalübertragungstechnologie LVDS

Die Menge der übertragenen Daten - Gigabits, Verbrauch - Milliwatt

Einleitung

Der Low Voltage Differential Signal Transmission Standard (LVDS) ist heute die beste Lösung für Systeme mit Hochgeschwindigkeitsschnittstellen mit geringer Leistung. Bei Verwendung von LVDS wird eine hohe Wechselrate bei niedrigem Energieverbrauch erreicht. Weitere Vorteile sind die Kompatibilität mit Niederspannungsversorgungen, geringes Rauschen und eine zuverlässige Signalübertragung. Aus diesen Gründen wird dieser Standard in der Fertigung in unterschiedlichen Marktsegmenten, in denen Geschwindigkeit und niedriger Verbrauch erforderlich sind, weit verbreitet. Typische Beispiele für die Anwendung dieser Norm sind Verbindungen von Platinen und Kabeln in Switches, Routern, Industriekameras sowie in Infotainmentsystemen für Kraftfahrzeuge und Fahrzeugsteuerungssystemen. Trotz all dieser Vorteile gibt es einige Einschränkungen bei der Verwendung von Geräten, die die Unterstützung mehrerer Transceiver auf einem einzelnen Bus, die Stromversorgung über einen Niederspannungsbus und Empfänger mit einem erweiterten Gleichtaktsignalbereich erfordern. Dies hat zur Entstehung neuer LVDS-Standards geführt, die den ursprünglichen Standard ergänzen.

Niederspannungs-Differenzsignalübertragungsstandard (LVDS)

1994 führte National Semiconductor erstmals die LVDS-Technologie (Low Voltage Differential Signaling) als Standardschnittstelle ein. Die Bandbreitenanforderungen stiegen exponentiell, und die Systementwickler suchten nach Wegen, um den Energieverlust zu reduzieren. Normale Standards wie RS-422 und RS-485 hatten keine Geschwindigkeit, während ECL (emittergekoppelte Logikschaltungen) und CML (Stromschaltlogikschaltungen) ausreichende Wechselraten aufwiesen, jedoch zu viel Strom verbrauchten. Die LVDS-Technologie half, dieses Problem ohne Kompromisse zu lösen. Hierbei handelt es sich um eine differentielle Technologie, dh es werden zwei Leitungen verwendet, um ein Signal zu übertragen (Abb. 1). Bei Verwendung von LVDS wird außerdem ein Signal von der Stromschleife übertragen, und der logische Pegel (hoch oder niedrig) wird durch die Richtung des Stroms in der Schleife (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt. Etwa 3,5 mA gehen durch ein Drahtpaar und werden über das andere zurückgeführt. Am Abschlusswiderstand entsteht eine Spannung (ca. ± 3,5 mA x 100 Ω = ± 350 mV). Der Empfänger, ein Differentialkomparator, bestimmt die Polarität des Spannungsabfalls, wobei ein positiver Spannungswert einem hohen logischen Pegel entspricht, einem negativen Wert - einem niedrigen. Der Treiber bietet eine Ausgangsspannung von 350 mV mit einer Mitte von ca. +1,25 V. Die Empfängerschwelle ist auf 100 mV mit einem Eingangsbereich von 0 bis +2,4 V eingestellt. Dadurch kann das aktive Nennsignal nach unten oder bis zu 1 V gehen Gleichtakt aufgrund von Potenzialunterschieden der Erde. Der Treiber ist für die Verwendung mit einer Last von 100 Ohm und einem Abschlusswiderstand von 100 Ohm ausgelegt.

Vereinfachtes Diagramm der Treiber- und Empfänger-LVDS, verbunden durch einen Träger mit einer differentiellen Impedanz von 100 Ohm
Abbildung 1. Vereinfachtes Diagramm des LVDS-Treibers und -Empfängers, der über einen Träger mit einer differentiellen Impedanz von 100 Ohm angeschlossen ist

Das differentielle Konzept führt zu einer hohen Verstärkung in Form der Gleichtaktunterdrückung. Aufgrund der hohen Störfestigkeit kann die Signalamplitude auf wenige hundert Millivolt reduziert werden. Eine kleinere Amplitude ermöglicht einen schnelleren Datenaustausch, da der Anstieg und Abfall des Signals gut gesteuert und innerhalb von 1 V / ns gehalten wird. Ein relativ konstanter kleiner Ausgangsstrom reduziert Hintergrundgeräusche und Leistungsgeräusche. Da der Strom in dem Sendepaar eine eng verwandte Stromschleife ist, verschwinden die elektrischen Streufelder oft und verringern so die elektromagnetische Interferenz. Die Austauschrate ist von Gerät zu Gerät unterschiedlich, liegt jedoch 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 typischerweise die dynamische Verlustleistung, und der Ruhestrom wird durch CMOS-Prozesse auf Submikronniveau auf ein Minimum reduziert. Die Übertragung von Niederspannungsdifferenzsignalen (LVDS) ist im ANSI / TIA / EIA-644-A-2001-Standard definiert, der ein Update des ANSI / TIA / EIA-644-Standards von 1995 ist. Diese Norm legt die Pegel der elektrischen LVDS-Signale fest, dh die Eigenschaften des Treiberausgangs und des Empfängereingangs. Dieser Standard sollte in Verbindung mit anderen Standards verwendet werden, die die gesamte Schnittstelle definieren, einschließlich Protokoll, Verbindungen und Medien. Dies sind Standards wie Camera Link oder der FPD-Schnittstellenstandard für Laptops, der von der SPWG (Arbeitsgruppe der Standardkonsolen) definiert wird. Er wird auch in vielen Spezialanwendungen verwendet. Darüber hinaus gibt es noch andere Standards. In fig. 2 zeigt die Amplituden der Signale bzw. der Vorspannung (verschiedener) verschiedener LVDS-Standards.

Differenzsignalschwingungen und Verschiebungsvergleich
Abbildung 2. Differenzsignalschwingungen und Verschiebungsvergleich

LVDS-Kristalle und Kristallsätze mit vielen Funktionen werden bisher von mehreren Unternehmen angeboten. Neben einfachen linearen Treibern und Empfängern, die eine Konvertierung zwischen LVDS- und LVTTL-Pegeln durchführen, gibt es LVDS-LVDS-Puffer, Koordinatenschalter, Signalverteiler (Splitter) und Taktverteilungsgeräte.

Von besonderem Interesse sind Kristallsätze für die Umwandlung von paralleler in serielle Form und umgekehrt (SerDes), da sie die Geschwindigkeit von LVDS erhöhen, was dem System insgesamt einen großen Vorteil verschafft. Die LVDS-Technologie bietet die Möglichkeit, E / A mit zusätzlichen Schaltungen zu integrieren, wie z. B .: einer PLL-Schaltung (Phasenfrequenz-Frequenzsteuerschaltung) zur Umwandlung von paralleler in serielle Form; mit einem Registerlatch und sogar mit digitalen Schaltungen, zum Beispiel mit einem Testport eines automatischen Peripherienetzwerks mit geschalteten Kanälen (Boundary SCAN Test Access Port). In fig. 3 zeigt ein Beispiel eines ähnlichen Satzes von SerDes-Kristallen. Ein Parallel-Seriell-Wandler SCAN92LV1025 sammelt 10 langsame Eingangssignale von TTL-Schaltungen und konvertiert sie über einen Hochgeschwindigkeits-LVDS-Kanal in serielle Form.

Parallel zu seriellem LVDS-Konverter / Seriell zu Parallelwandler mit JTAG-Test hinzugefügt
Abbildung 3. LVDS-Quarz von parallel zu seriell / Konverter von seriell zu parallel mit hinzugefügtem JTAG-Test

Sendertaktsignale werden in den seriellen Datenstrom eingebettet, indem Daten mit Start- (HIGH) und Stoppbits (LOW) markiert werden. Die schmale LVDS-Schnittstelle erfordert nicht die Verwendung mehrerer Pins, sperriger, schwerer Steckverbinder und Kabel, was wiederum die Kosten des Systems reduziert. Der Konverter vom seriellen zum parallelen SCAN92LV1226 empfängt das LVDS-Signal, extrahiert das Synchronisationssignal aus dem Datenstrom und erstellt einen 10-Bit-TTL-Bus. Die Kapazität dieses Quarzes kann 800 Mbps an nützlicher Information erreichen. Solche technischen Lösungen SerDes sind ideal für Systeme, bei denen dünne Kabel verwendet werden müssen, z. B. Anschlüsse von Videosensoren in Automobilchassis, Manipulatoren, Verbindungen mit Messköpfen in automatischen Prüfgeräten usw. Es gibt einige Einschränkungen des LVDS, beispielsweise einen Gleichtaktsignalpegel von ± 1 V und eine Endlast von 100 Ω. Dies führte zu verschiedenen Abweichungen des LVDS- 1- Standards.


1) Zum Beispiel:

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

Bustopologie

LVDS wird hauptsächlich bei speziellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit hoher Geschwindigkeit verwendet. Der Treiber muss mit der Leitung abgeglichen werden, und die Verbindungsparameter sollten basierend auf dem charakteristischen Eingangswiderstand des Kabels ausgewählt werden. Dadurch wird eine Signalübertragung von hoher Qualität erreicht und Reflexion und Strahlung werden minimiert. Um den Unterschied zwischen den Implementierungsoptionen der LVDS-Technologie zu erklären, ist es notwendig, die grundlegenden Reifenkonfigurationen in Erinnerung zu rufen, deren verschiedene Konstruktionen in Fig. 2 gezeigt sind. 4. Der einfachste ist ein unidirektionaler Zweipunkt-Bus, der nur einen Abschlusswiderstand am Kabelende hat und der Treiber sich immer am anderen Ende des Kabels befindet. Aufgrund der hohen Störfestigkeit unterstützt die "Punkt-zu-Punkt" -Konfiguration hohe Datenaustauschraten. Diese Busstruktur erleichtert das Erstellen von Gigabit-Netzwerken. Für die bidirektionale Datenübertragung muss gleichzeitig eine separate Leitung (2 Paare) zugewiesen werden. In diesem Fall kann eine temporäre Übertragung von Daten in zwei Richtungen ausgeführt werden, und die Kapazität des gemeinsamen Busses wird verdoppelt.

Verschiedene Bustopologien
Abbildung 4. Unterschiedliche Bustopologien

Eine andere übliche Konfiguration ist das klassische Verteilersystem oder der Mehrpunktbus. Die Verwendung dieser Konfiguration ist besonders effektiv, wenn Sie dieselben Informationen an mehrere Punkte gleichzeitig übertragen müssen. Wie im vorherigen Fall befindet sich der Treiber an einem Ende des Busses und der Abschlusswiderstand am anderen. Entlang des Busses befinden sich zwei oder mehr Empfänger mit kleinen Verbindungsdrähten. Die elektrische Länge dieser Drähte sollte so kurz wie möglich sein, um eine Beeinträchtigung der Signalqualität aufgrund von Reflexion, Interferenz usw. zu vermeiden. Die Wechselrate bei Verwendung von Mehrpunktbussen kann je nach Verbindungskabel und Last 400–600 Mbit / s erreichen. Die flexibelste Konfiguration ist ein Mehrpunktbus, der an beiden Enden des Verbindungsdrahtes angepasst ist. Der Fahrer kann sich überall im Bus befinden. Der gleichzeitige Betrieb mehrerer Treiber ist nicht möglich, daher erfolgt die Datenübertragung zweiseitig halbduplex. Das Anschließen von Netzwerkknoten an den Bus kann kritisch sein, daher sollte dies sorgfältig geschehen. Für Systeme mit zwei passenden Widerständen, den sogenannten Multipoint-Systemen, sind leistungsfähigere Treiber erforderlich, um Schwingungen wie LVDS zu erzeugen, während die Last im Bereich von 30 bis 50 Ohm liegt.

LVDS-Derivate

Die Tabelle zeigt die Hauptparameter einiger LVDS-Sorten.

Tabelle 1. Vergleichstabelle LVDS

Parameter Lvds Blvds M-LVDS GLVDS LVDM
Ausgangsamplitude 250 - 450 mV 240 - 500 mV 480 - 650 mV 150 - 500 mV 247 - 454 mV
Offsetspannung 1,125 V 1,3 V 0,3 - 2,1 V 75 - 250 mV 1,125 V
Fertigstellung 100 W 27 - 50 W 50 W Intern zu RX 50 W
Erregerstrom 2,5 - 4,5 mA 9 - 17 mA 9 - 13 mA Reguliert 6 mA
Kurzschlussstrom <24 mA <65 mA <43 mA - -10 mA
Rapids ± 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
Guter Modus ± 1 V ± 1 V ± 2 V ± 0,5 V ± 1 V

LVDS-Reifen

1997 stellte National Semiconductor den LVDS-Bus zur Ansteuerung von Hochlastkarten mit niedriger Eingangsimpedanz vor. Karten mit einer großen Anzahl von Karten (bis zu 20 Stück) auf kleinem Raum haben normalerweise einen Eingangswiderstand im Bereich von 50 bis 60 Ohm. Beim Anpassen an beiden Enden in der Größe von beispielsweise 54 Ohm steht der Fahrer tatsächlich einer Last von 27 Ohm gegenüber. Um LVDS-Amplituden zu erhalten, muss der Treiberausgangsstrom auf einen Bereich von 10–12 mA verdreifacht werden. Eine weitere Verbesserung dieser Technologie war die Koordination der gesamten Ausgangsimpedanzen des Treibers sowie die Technologie, um die gleichzeitige Verwendung eines Kanals zu verhindern. Wenn mehrere Treiber versuchen, gleichzeitig 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, der als M-LVDS (Multipoint-LVDS - Multipoint LVDS) bekannt ist. Diese Version unterstützt Mehrpunktbus mit Doppelanpassung und kann bis zu 32 Knoten verwenden. M-LVDS erweitert den Common-Mode-Bereich auch auf ± 2 V. Die maximale Datenübertragungsrate beträgt 500 MBit / s. In der Praxis ist die Geschwindigkeit auf 300-400 Mbit / s begrenzt, abhängig von verschiedenen Parametern wie der Länge der Verbindungsleitung und der erforderlichen Signalqualität. M-LVDS hat einen Ausgangsstrom von 9–13 mA und adressiert sowohl die Kabel- als auch die Platinenanschlüsse. Bei Verwendung von langen Kabeln steigt die Wahrscheinlichkeit eines großen Unterschieds zwischen den Erdpotentialen. Daher verdoppelte der M-LVDS-Standard den Bereich des Gleichtakt-LVDS auf ± 2 V, um die Stabilität zu erhöhen. M-LVDS unterscheidet auch zwei Arten von Empfängern (Abbildung 5). Typ 1, der als "Datenempfänger" bezeichnet wird, hat Schwellenwerte von ± 50 mV mit einer typischen Hysterese von 30 mV. Typ 2 oder „Steuerempfänger“ schaltet den Ausgang in die LOW-Position, wenn die Eingangsspannung unter 50 mV fällt. Der Ausgang wechselt in die HIGH-Position, wenn die Eingangsspannung über 150 mV liegt. Der Vorteil der Verschiebung des Schwellenbereichs um +50 mV ist das Auftreten einer Rauschspanne von 50 mV.

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

Die Ausgänge werden in diesem Fall in die Position LOW geschaltet (störungsfreier Modus). M-LVDS wurde übrigens von PICMG (PCI-Gruppe zur Herstellung von Computern für die Industrie) als Standard für die Übertragung von Signalen zur Verteilung von Taktsignalen in ATCA-kompatiblen Datenübertragungssystemen ausgewählt (ATCA ist eine moderne Computerarchitektur für die Telekommunikation).

GLVDS

GLVDS (korreliert mit land-LVDS) - die Entwicklung eines der größten Telekommunikationsunternehmen. Die GLDVS-Technologie ähnelt der LVDS, nur dass der Offset der Treiberausgangsspannung näher am Erdpotential liegt. Durch Absenken des Spannungsoffsets können die GLVDS-Ein- / Ausgänge in spezielle ICs integriert werden und mit Niederspannungsquellen von 0,5 V betrieben werden. Das GLVDS wird derzeit vom JEDEC-Standardisierungskomitee zur Annahme als Standard betrachtet. JEDEC hat bereits einen Standard veröffentlicht, der viel mit GLVDS gemein hat. Dies ist ein Standard-SLVS, der für „variable Übertragung von Niederspannungssignalen für 400 mV“ (JESD8-13) steht. Diese Schnittstelle entspricht dem Erdpotenzial und hat zwei Optionen für Treiber und Empfänger. Empfänger können entweder einseitig oder differenziell sein, und Treiber können sowohl für Punkt-zu-Punkt- als auch für Mehrpunktanwendungen verwendet werden. Der Wechselkurs variiert im Bereich von 1-3 Gbit / s, jedoch nur über kurze Entfernungen (weniger als 30 cm). Daher ist die Verwendung dieser Schnittstelle auf den Bereich der Hochgeschwindigkeitsverbindungen von Kristall zu Kristall beschränkt. Aufgrund der Amplitude von 400 mV und der Erdungsanpassung beträgt die Versorgungsbusspannung nur 0,8 V. Daher ist diese Schnittstelle mit Niederspannungskernen kompatibel, die in ultradünnen Kristallen spezieller ICs verwendet werden.

LVDM

Texas Instruments hat eine Reihe von Komponenten entwickelt, die für doppelt aufeinander abgestimmte 100-Ohm-Anwendungen ausgelegt sind. Der Treiberausgangsstrom ist doppelt so hoch wie der Standard für LVDS, dh nominal 6 mA. Bei einer Last von 50 Ohm werden somit LVDS-Pegel erreicht. Diese Technologie kann verwendet werden, wenn mit bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Reifen oder Mehrpunktreifen mit geringer Belastung gearbeitet wird.

Fazit

Der LVDS-Standard bietet dem Entwickler die Möglichkeit, die erforderlichen Systemeigenschaften nicht zu opfern. Bei Verwendung dieses Standards werden Daten mit hoher Geschwindigkeit übertragen, es wird wenig Energie verbraucht, das System ist rauschbeständig und es werden nur wenige elektromagnetische Interferenzen 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 Datenübertragungsraten ansteigen und die Versorgungsspannung sinken. Unter den Bedingungen der Senkung des Stromverbrauchs, der Verringerung des elektromagnetischen Stroms und des Übersprechens wird die Tendenz zur Verringerung der Amplituden, die durch die Schaffung von LVDS ausgelöst wurde, wahrscheinlich in den folgenden Jahren anhalten.

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