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Entwicklung der LVDS-Signalübertragungstechnologie

Die übertragene Datenmenge - Gigabit, Verbrauch - Milliwatt

Einführung

Der Low Voltage Differential Signaling Standard (LVDS) ist heute die beste Lösung für Systeme mit Hochgeschwindigkeitsschnittstellen mit geringem Stromverbrauch. Bei Verwendung von LVDS wird ein hoher Wechselkurs bei geringem Energieverbrauch erreicht. Weitere Vorteile sind die Kompatibilität mit Niederspannungsnetzteilen, geringes Rauschen und eine zuverlässige Signalübertragung. Aus diesen Gründen ist dieser Standard in der Produktion in verschiedenen Marktsegmenten weit verbreitet, in denen Geschwindigkeit und geringer Verbrauch erforderlich sind. Typische Beispiele für die Anwendung dieser Norm sind der Anschluss von Platinen und Kabeln in Schaltschaltern, Routern, Industriekameras sowie in Unterhaltungsinformationssystemen und Fahrzeugsteuerungssystemen für Kraftfahrzeuge. Trotz all dieser Vorteile gibt es einige Einschränkungen bei der Verwendung in Geräten, die die Unterstützung mehrerer Transceiver auf einem Bus, die Stromversorgung über den Niederspannungsbus und Empfänger mit einem erweiterten Gleichtaktsignalbereich erfordern. Dies hat zur Entstehung neuer LVDS-Standards geführt, die den ursprünglichen Standard ergänzen.

Niederspannungs-Differenzsignalisierungsstandard (LVDS)

1994 führte National Semiconductor erstmals LVDS als Standardschnittstelle ein. Die Bandbreitenanforderungen stiegen exponentiell und Systementwickler suchten nach Möglichkeiten, um Stromverluste zu reduzieren. Herkömmliche Standards wie RS-422 und RS-485 hatten keine Geschwindigkeit, während ECL (Logikschaltungen mit Emitterverbindungen) und CML (Logikschaltungen mit Stromschaltern) einen ausreichenden Wechselkurs hatten, aber zu viel Strom verbrauchten. Die LVDS-Technologie half dabei, dieses Problem ohne Kompromisse zu lösen. Dies ist eine Differenzialtechnologie, dh sie verwendet zwei Leitungen zur Übertragung eines Signals (Abb. 1). Zusätzlich wird bei Verwendung von LVDS ein Signal mit einer Stromschleife übertragen, und der logische Pegel (hoch oder niedrig) wird durch die Richtung des Stroms in der Schleife (im oder gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt. Etwa 3,5 mA gehen durch einen Draht des Paares und kehren in einen anderen zurück. Am Abschlusswiderstand wird eine Spannung erzeugt (ca. ± 3,5 mA x 100 Ohm = ± 350 mV). Der Empfänger, ein Differentialkomparator, bestimmt die Polarität des Spannungsabfalls, während ein positiver Spannungswert einem hohen Logikpegel entspricht, ein negativer Wert einem niedrigen. Der Treiber liefert eine differentielle Ausgangsspannung von 350 mV mit einer Mitte von ungefähr +1,25 V. Die Empfängerschwelle ist auf 100 mV mit einem Eingangsbereich von 0 bis +2,4 V eingestellt. Dadurch kann das aktive Nennsignal um 1 V nach unten oder oben verschoben werden Gleichtakt aufgrund der Potentialdifferenz der Erde. Der Treiber ist für die Verwendung mit einer Last von 100 Ohm und einem Abschlusswiderstand von 100 Ohm vorgesehen.

Eine vereinfachte LVDS-Treiber- und Empfängerschaltung, die über einen Träger mit einer Differenzimpedanz von 100 Ohm verbunden ist
Abbildung 1. Ein vereinfachtes Diagramm des LVDS-Treibers und des Treibers, die über einen Träger mit einer Differenzimpedanz von 100 Ohm verbunden sind

Das Differentialkonzept führt zu einer hohen Verstärkung in Form einer Gleichtaktunterdrückung. Aufgrund seiner hohen Störfestigkeit kann die Signalamplitude auf nur 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 werden. Ein relativ konstanter kleiner Ausgangsstrom reduziert Hintergrundgeräusche und Leistungsstörungen. Da der Strom im Sendepaar eine eng verbundene Stromschleife ist, verschwinden die elektrischen Streufelder häufig, wodurch elektromagnetische Störungen verringert werden. Der Wechselkurs ist je nach Gerät unterschiedlich, liegt aber in jedem Fall bei konstantem Strom innerhalb von 1,5 Gbit / s. Die Leistung wird auf drei Arten minimiert. Der Laststrom ist auf 3,5 mA begrenzt, der Stromtreiber begrenzt normalerweise die dynamische Verlustleistung und der Ruhestrom wird durch CMOS-Prozesse auf Submikron-Ebene minimiert. Die Niederspannungs-Differenzsignalisierung (LVDS) ist in der Norm ANSI / TIA / EIA-644-A-2001 definiert, die eine Aktualisierung der Norm ANSI / TIA / EIA-644 von 1995 darstellt. Diese Norm definiert nur die elektrischen LVDS-Signalpegel, d. H. Die Eigenschaften des Treiberausgangs und des Empfängereingangs. Dieser Standard muss in Verbindung mit anderen Standards angewendet werden, die eine vollständige Schnittstelle definieren, einschließlich Protokoll, Verbindungen und Medien. Dies sind Standards wie Camera Link oder der von der SPWG (Working Group of Standard Consoles) definierte Schnittstellen-FPD-Standard für Laptops, der auch in vielen speziellen Anwendungen verwendet wird. Darüber hinaus gibt es weitere Standards. In Abb. Abbildung 2 zeigt die Signalamplituden bzw. Vorspannungen verschiedener LVDS-Standards.

Differenzielle Signalschwankungen und Vorspannungsvergleich
Abbildung 2. Schwingungen von Differenzsignalen und Vorspannungsvergleich

Bisher werden LVDS-Kristalle und Kristall-Sets mit vielen Funktionen von mehreren Unternehmen angeboten. Neben einfachen linearen Treibern und Empfängern, die zwischen den LVDS- und LVTTL-Pegeln konvertieren, gibt es LVDS-LVDS-Puffer, Koordinatenschalter, Signalverteiler (Splitter) und Taktverteilungsgeräte.

Von besonderem Interesse sind Kristallsätze zur Umwandlung von paralleler in serielle Form und umgekehrt (SerDes), da sie die Geschwindigkeit von LVDS erhöhen, was dem gesamten System einen großen Vorteil verschafft. Die LVDS-Technologie bietet die Möglichkeit, E / A in zusätzliche Schaltungen zu integrieren, z. B.: PLL-Schaltung (Phasenregelkreis) zur Umwandlung von paralleler in serielle Form; mit einem Latch-Register und sogar mit digitalen Schaltungen, beispielsweise mit einem Testport eines automatischen Peripherienetzwerks mit geschalteten Kanälen (Boundary SCAN Test Access Port). In Abb. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für einen ähnlichen Satz von SerDes-Kristallen. Der Parallel-Seriell-Wandler SCAN92LV1025 sammelt 10 langsame Eingangssignale von TTL-Schaltkreisen und wandelt sie auf einem Hochgeschwindigkeits-LVDS-Kanal in serielle Form um.

Crystal LVDS Parallel-Seriell-Konverter / Seriell-Parallel-Konverter mit hinzugefügtem JTAG-Test
Abbildung 3. Crystal-LVDS-Parallel-Seriell-Wandler / Seriell-Parallel-Wandler mit zusätzlichem JTAG-Test

Die Sendertakte werden in den seriellen Datenstrom eingebettet, indem die Daten mit Startbits (HIGH) und Stoppbits (LOW) markiert werden. Die schmale LVDS-Schnittstelle erfordert nicht die Verwendung mehrerer Kontakte, sperriger schwerer Stecker und Kabel, was wiederum die Systemkosten senkt. Der Seriell-Parallel-Wandler SCAN92LV1226 empfängt das LVDS-Signal, extrahiert das Synchronisationssignal aus dem Datenstrom und erstellt einen 10-Bit-TTL-Bus. Der Durchsatz dieses Chips kann 800 Mbit / s nützlicher Informationen erreichen. Ähnliche technische Lösungen von SerDes sind ideal für Systeme, bei denen dünne Kabel verwendet werden müssen, z. B. Videosensorverbindungen in Fahrzeugchassis, Manipulatoren, Verbindungen zu Messköpfen in automatischen Verifizierungsgeräten usw. LVDS unterliegt einigen Einschränkungen, z. B. einem gleichphasigen Signal ± 1 V und einer Endlast von 100 Ohm. Dies verursachte mehrere Variationen 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 in speziellen Hochgeschwindigkeits-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet. Der Treiber muss mit der Leitung abgestimmt werden, und die Verbindungsparameter sollten basierend auf dem charakteristischen Eingangswiderstand des Kabels ausgewählt werden. Dadurch wird eine qualitativ hochwertige Signalübertragung erreicht und deren Reflexion und Strahlung minimiert. Um den Unterschied zwischen den Optionen für die Implementierung der LVDS-Technologie zu erklären, müssen die grundlegenden Buskonfigurationen abgerufen werden, deren verschiedene Designs in Abb. 1 dargestellt sind. 4. Am einfachsten ist ein unidirektionaler Bus mit zwei Punkten. Am Ende des Kabels befindet sich nur ein 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 erleichtert das Erstellen von Gigabit-Netzwerken. Gleichzeitig ist es für die bidirektionale Datenübertragung erforderlich, eine separate Leitung (2 Paare) zuzuweisen. In diesem Fall kann eine temporäre Datenübertragung in zwei Richtungen durchgeführt werden, und der Durchsatz des gemeinsamen Busses wird verdoppelt.

Verschiedene Bustopologien
Abbildung 4. Verschiedene Bustopologien

Eine andere übliche Konfiguration ist ein klassisches Verteilungssystem oder ein Multi-Drop-Bus. 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 am anderen. Entlang des Busses befinden sich zwei oder mehr Empfänger mit kleinen Verbindungskabeln. Die elektrische Länge dieser Drähte sollte so klein wie möglich sein, um eine Abnahme der Signalqualität aufgrund von Reflexion, Interferenz usw. zu verhindern. Der Wechselkurs bei Verwendung von Mehrpunktbussen kann je nach Verbindungskabel und Last 400 bis 600 Mbit / s erreichen. Die flexibelste Konfiguration ist ein Mehrpunktbus mit einer Anpassung an beiden Enden des Verbindungskabels. Der Fahrer kann sich überall im Bus befinden. Der gleichzeitige Betrieb mehrerer Treiber ist nicht möglich, daher erfolgt die Datenübertragung zweiseitig im Halbduplex. Das Verbinden von Netzwerkknoten mit dem Bus kann kritisch sein, daher sollte dies sorgfältig durchgeführt werden. Bei Systemen mit zwei Abschlusswiderständen, den sogenannten Mehrpunktsystemen, werden leistungsstärkere Treiber benötigt, um LVDS-ähnliche Schwingungen zu erzeugen, während die Last zwischen 30 und 50 Ohm liegt.

Derivate von LVDS

Die Tabelle zeigt die Hauptparameter einiger LVDS-Sorten.

Tabelle 1. Vergleichstabelle von LVDS

Parameter LVDS BLVDS M-LVDS GLVDS LVDM
Ausgangsamplitude 250 - 450 mV 240 - 500 mV 480 - 650 mV 150 - 500 mV 247 - 454 mV
Vorspannung 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 für RX 50 W.
Feldstrom 2,5 - 4,5 mA 9 - 17 mA 9 - 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.
Gleichtakt ± 1 V. ± 1 V. ± 2 V. ± 0,5 V. ± 1 V.

LVDS-Bus

1997 führte National Semiconductor den LVDS-Bus zur Steuerung von Leiterplatten mit hoher Last und niedriger Impedanz ein. Karten mit einer großen Anzahl von Karten (bis zu 20 Stück) auf kleinem Raum haben normalerweise eine Eingangsimpedanz von 50-60 Ohm. Beim Anpassen an beiden Enden in einer Größe von beispielsweise 54 Ohm stößt der Treiber tatsächlich auf eine Last von 27 Ohm. 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 Gesamtausgangsimpedanzen des Treibers sowie die Technologie zur Verhinderung der gleichzeitigen Verwendung eines Kanals. 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 - Multipoint LVDS). Diese Version unterstützt einen Mehrpunktbus mit doppelter Übereinstimmung und kann bis zu 32 Knoten verwenden. M-LVDS erweitert auch den Gleichtaktbereich auf ± 2 V. Die maximale Datenübertragungsrate beträgt 500 Mbit / s. In der Praxis ist die Geschwindigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie der Länge des Verbindungskabels und der erforderlichen Signalqualität auf 300 bis 400 Mbit / s begrenzt. M-LVDS hat einen Ausgangsstrom von 9–13 mA und bezieht sich sowohl auf die Kabel- als auch auf die Platinenanschlüsse. Bei Verwendung langer Kabel steigt die Wahrscheinlichkeit eines großen Unterschieds zwischen den Potentialen der Erde. Somit verdoppelte der M-LVDS-Standard den Bereich des Gleichtakt-LVDS für eine größere Stabilität auf ± 2 V. M-LVDS unterscheidet auch zwei Arten von Empfängern (Abb. 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 auf LOW, wenn die Eingangsspannung unter 50 mV fällt. Der Ausgang schaltet auf HIGH, wenn die Eingangsspannung über 150 mV liegt. Der Vorteil der Verschiebung des Schwellenbereichs um +50 mV ist das Auftreten einer 50 mV-Störfestigkeitsspanne.

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

Die Ausgänge sind in diesem Fall auf LOW geschaltet (störungsfreier Betrieb). 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 - die moderne Architektur von Computern für die Telekommunikation) ausgewählt.

GLVDS

GLVDS (bezogen auf Land LVDS) - Entwicklung eines der größten Telekommunikationsunternehmen. Die GLDVS-Technologie ähnelt der LVDS-Technologie, mit der Ausnahme, dass der Offset der Treiberausgangsspannung näher am Erdpotential liegt. Durch Verringern der Vorspannung können die GLVDS-Ein- und Ausgänge in spezialisierte ICs integriert und mit Niederspannungsquellen von 0,5 V betrieben werden. GLVDS wird derzeit vom JEDEC-Standardisierungsausschuss zur Annahme als Standard geprüft. JEDEC hat bereits einen Standard veröffentlicht, der viel mit GLVDS gemeinsam hat. Dies ist der SLVS-Standard, der für „Variable Niederspannungsübertragung für 400 mV“ (JESD8-13) steht. Diese Schnittstelle entspricht dem Erdpotential und bietet 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 Anwendung dieser Grenzfläche auf den Bereich der Hochgeschwindigkeitsverbindungen von Kristall zu Kristall beschränkt. Aufgrund einer Amplitude von 400 mV und einer Erdungsanpassung beträgt die Spannung des Leistungsbusses nur 0,8 V. Somit ist diese Schnittstelle mit den Niederspannungskernen kompatibel, die in ultradünnen Kristallen spezialisierter ICs verwendet werden.

LVDM

Texas Instruments hat eine Reihe von Komponenten entwickelt, die für Double-Matching-Anwendungen mit 100 Ohm ausgelegt sind. Der Treiberausgangsstrom ist doppelt so hoch wie der Standard für LVDS, d. H. Nominell 6 mA. Somit werden bei einer Last von 50 Ohm LVDS-Pegel erreicht. Diese Technologie kann bei der Arbeit mit bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Bussen oder Multi-Drop-Reifen mit geringer Last eingesetzt werden.

Fazit

Der LVDS-Standard bietet dem Entwickler die Möglichkeit, die erforderlichen Eigenschaften des Systems nicht zu beeinträchtigen. Mit diesem Standard werden Daten mit hoher Geschwindigkeit übertragen, sie verbrauchen wenig Strom, das System ist unempfindlich gegen Rauschen und es gibt wenig elektromagnetische Störungen. Neue LVDS-Typen ergänzen den ursprünglichen Standard am besten und ermöglichen die Verwendung in noch mehr Anwendungen. In naher Zukunft werden die Datenübertragungsraten steigen und die Versorgungsspannung sinken. Unter Bedingungen der Senkung des Energieverbrauchs, der Verringerung von Elektromagnetik und Übersprechen dürfte sich die Tendenz zu einer Verringerung der Amplituden, die mit der Schaffung von LVDS begann, in den folgenden Jahren fortsetzen.

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