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Entwicklung der LVDS-Signalübertragungstechnik

Die Datenmenge ist Gigabit, der Verbrauch ist Milliwatt

Einleitung

Der Niederspannungs-Differenzsignal- (LVDS) -Standard ist heute die beste Lösung für Systeme mit Hochgeschwindigkeits-Low-Consumer-Schnittstellen. Bei der Verwendung von LVDS wird eine hohe Umtauschrate bei geringem Stromverbrauch erreicht. Weitere Vorteile sind Kompatibilität mit Niederspannungsnetzteilen, geringe Störungen und zuverlässige Signalübertragung. Aus diesen Gründen ist dieser Standard in der Fertigung in verschiedenen Marktsegmenten weit verbreitet, wo Geschwindigkeit und geringer Verbrauch erforderlich sind. Typische Anwendungen dieser Norm sind Anschlüsse von Karten und Kabeln in Kommutierungsschaltern, Routern, Industriekameras sowie in Fahrzeug- und Fahrzeugleitsystemen. Auch bei all diesen Vorteilen gibt es einige Einschränkungen für den Einsatz in Geräten, die Unterstützung für mehrere Transceiver auf dem gleichen Bus benötigen, Strom aus einem Niederspannungsbus und Empfänger mit einem erweiterten Gleichtaktbereich. Dies führte zur Entstehung neuer LVDS-Standards und ergänzte den ursprünglichen Standard.

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

Im Jahr 1994 führte National Semiconductor erstmals die Technologie der Niederspannungs-Differenzsignal- (LVDS-) Übertragung als Standardschnittstelle ein. Die Bandbreitenanforderungen erhöhten sich exponentiell, und die Systementwickler suchten nach Möglichkeiten zur Reduzierung von Leistungsverlusten. Normale Standards wie RS-422 und RS-485 fehlten an Geschwindigkeit, während ECL (Emitter-gekoppelte Logikschaltungen) und CML (Logikschaltungen mit Stromschaltern) einen ausreichenden Wechselkurs hatten, aber zu viel Strom verbraucht haben. Die LVDS-Technologie hat dazu beigetragen, dieses Problem ohne Kompromisse zu lösen. Dies ist eine Differentialtechnologie, dh es verwendet zwei Zeilen, 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 aktuelle Richtung in der Schleife (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt wird. Etwa 3,5 mA geht um ein Paar Draht und kehrt in ein anderes zurück. Ein passender Widerstand erzeugt eine Spannung (ca. ± 3,5 mA x 100 Ω = ± 350 mV). Der Empfänger, der Differentialkomparator, bestimmt die Polarität des Spannungsabfalls, während der positive Spannungswert einem hohen Logikpegel entspricht, der negative Wert auf einen niedrigen Wert. Der Treiber liefert 350 mV Differenzspannung am Ausgang bei ca. +1,25 V. Die Triggerschwelle des Empfängers wird auf 100 mV mit einem Eingangsbereich von 0 bis +2,4 V eingestellt. Damit kann das Nenn-Aktivsignal um 1 V in nach unten oder nach oben verschoben werden In-Phase-Modus aufgrund der Differenz der Massepotentiale. Der Fahrer ist für den Einsatz 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 Differenzimpedanz von 100 Ohm verbunden ist
Abbildung 1. Eine vereinfachte LVDS-Treiber- und Empfängerschaltung, die über einen Träger mit einer Differenzimpedanz von 100 Ohm verbunden ist

Das Differentialkonzept führt zu einem hohen Gewinn in Form von Gleichtaktunterdrückung. Aufgrund der hohen Rauschbeständigkeit kann die Signalamplitude auf nur wenige hundert Millivolt reduziert werden. Die kleinere Amplitude ermöglicht es, Daten schneller zu tauschen, da der Anstieg und Abfall des Signals gut überwacht und innerhalb von 1 V / ns gehalten wird. Ein relativ konstanter kleiner Ausgangsstrom reduziert Hintergrundrauschen und Leistungsrauschen. Da der Strom im Sendepaar eine eng verwandte Stromschleife ist, verschwinden die elektrischen Streufelder oft, wodurch elektromagnetische Störungen vermieden werden. Der Wechselkurs variiert je nach Einzelgerät, aber in jedem Fall liegt er bei 1,5 Gb / s bei konstantem Strom. Die Leistung wird auf drei Arten minimiert. Der Laststrom ist auf 3,5 mA begrenzt, der aktuelle Modus-Treiber begrenzt in der Regel die Dissipation der dynamischen Leistung und der Ruhestrom wird durch CMOS-Prozesse auf Submikron-Ebene auf ein Minimum reduziert. Die Übertragung von Niederspannungs-Differenzsignalen (LVDS) ist in der Norm ANSI / TIA / EIA-644-A-2001 definiert, was ein Update für den 1995 ANSI / TIA / EIA-644-Standard ist. Diese Norm legt nur die Niveaus der LVDS-elektrischen Signale fest, dh die Eigenschaften des Treiberausgangs und des Empfängereingangs. Diese Norm muss zusammen mit anderen Standards angewendet werden, die die komplette Schnittstelle definieren, einschließlich Protokoll, Verbindungen und Medien. Dies sind solche Standards wie Camera Link oder die Schnittstelle Standard FPD für Laptops, definiert durch SPWG (Arbeitsgruppe der Standardkonsolen), wird es auch in vielen speziellen Anwendungen eingesetzt. Darüber hinaus gibt es andere Standards. In Fig. 2 zeigt die Amplituden der Signale und die Vorspannung (bzw.) der verschiedenen LVDS-Standards.

Differentialwellenformen und Verschiebungsvergleich
Abbildung 2. Oszillation von Differentialsignalen und Vergleich der Verschiebung

Bis heute werden LVDS-Kristalle und Sätze von Kristallen mit vielen Funktionen von mehreren Firmen angeboten. Zusätzlich zu einfachen linearen Treibern und Empfängern, die die Umwandlung zwischen den LVDS- und LVTTL-Pegeln durchführen, gibt es LVDS-LVDS-Puffer, Koordinatenschalter, Signalverteiler (Splitter) und Taktverteilungsgeräte.

Besonders interessant sind die Sätze von Kristallen für die Umwandlung von parallel zu seriell und umgekehrt (SerDes), da sie die Geschwindigkeit von LVDS erhöhen, was dem ganzen System einen großen Vorteil verleiht. Die LVDS-Technologie bietet die Möglichkeit, I / O mit zusätzlichen Schemata zu integrieren, wie zum Beispiel: PLL (Phase-Locked Loop) Schema für die Umwandlung von Parallel zu Serienform; Mit einem Register-Latch und sogar mit digitalen Schaltungen, zum Beispiel mit einem Test-Port des Boundary SCAN Test Access Port. In Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines ähnlichen Satzes von SerDes-Kristallen. Der seriell-seriell-Wandler SCAN92LV1025 sammelt 10 langsame Eingangssignale von TTL-Schaltungen und serialisiert sie zu einem einzigen Hochgeschwindigkeits-LVDS-Kanal.

Crystal LVDS Konverter von Parallel zu Serienform / Konverter von serieller zu paralleler Form mit zusätzlichem JTAG Test
Abbildung 3. LVDS Parallel-Seriell-Wandler / Seriell-Parallel-Wandler mit JTAG-Test hinzugefügt

Transmitter-Timingsignale werden in einen seriellen Datenstrom eingebettet, indem Daten mit den Start- (HIGH) und Stop (LOW) Bits markiert werden. Die schmale LVDS-Schnittstelle erfordert nicht die Verwendung von mehreren Kontakten, schwerfälligen schweren Steckverbindern 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 nützliche Informationen erreichen. Solche technischen Lösungen SerDes eignen sich ideal für jene Systeme, bei denen es notwendig ist, eine Feinverdrahtung zu verwenden, z. B. den Anschluss von Videosensoren im Automobilchassis, Manipulatoren, Anschlüsse an Messköpfe in automatischen Prüfeinrichtungen usw. Es gibt einige Einschränkungen von LVDS, zum Beispiel ein Gleichtaktsignal von ± 1 V und eine Endlast von 100 Ω. Dies führte zu mehreren 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 High-Speed-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eingesetzt. Der Fahrer braucht eine Ausrichtung mit der Leitung, und die Verbindungsparameter müssen basierend auf dem charakteristischen Eingangswiderstand des Kabels ausgewählt werden. Dadurch wird eine hohe Signalübertragungsleistung erreicht und deren Reflexion und Strahlung minimiert. Um den Unterschied zwischen den Implementierungsoptionen der LVDS-Technologie zu erläutern, ist es notwendig, die grundlegenden Konfigurationen von Reifen, deren verschiedene Ausführungen in Abb. 4. Der einfachste ist ein unidirektionaler Bus mit zwei Punkten, am Ende des Kabels gibt es nur einen Abschlusswiderstand, und der Fahrer befindet sich immer am gegenüberliegenden Ende des Kabels. Aufgrund der hohen Störfestigkeit unterstützt die Punkt-zu-Punkt-Konfiguration hohe Datenraten. Diese Busstruktur macht es einfach, Gigabit-Netzwerke zu erstellen. In diesem Fall ist es für eine bidirektionale Datenübertragung notwendig, eine separate Zeile (2 Paare) auszuwählen. In diesem Fall kann eine vorübergehende Übertragung von Daten in zwei Richtungen durchgeführt werden, und die Kapazität des gemeinsamen Busses wird verdoppelt.

Verschiedene Bustopologien
Abbildung 4. Verschiedene Bustopologien

Eine weitere gemeinsame Konfiguration ist ein klassisches Verteilungssystem oder ein Mehrpunktbus. Die Verwendung dieser Konfiguration ist besonders effektiv, wenn Sie die gleiche Information auf mehrere Punkte gleichzeitig übertragen müssen. Wie im vorherigen Fall befindet sich der Fahrer an einem Ende des Busses und der Abschlusswiderstand befindet sich auf der anderen Seite. Entlang des Reifens gibt es zwei oder mehr Empfänger mit kleinen Anschlussdrähten. Die elektrische Länge dieser Drähte sollte so niedrig wie möglich sein, um zu verhindern, dass sich die Signalqualität durch Reflexion, Interferenz usw. verschlechtert. Der Wechselkurs bei der Verwendung von Multipoint-Bussen kann je nach Anschlussdrähte und Last 400-600 Mbit / s erreichen. Die flexibelste Konfiguration ist ein Mehrpunktbus mit passend an beiden Enden des Anschlussdrahts. Der Fahrer kann überall im Bus sein. Der Betrieb von mehreren Fahrern ist gleichzeitig unmöglich, so dass die Datenübertragung zweiseitig, halbduplex ist. Das Anschließen von Netzwerkknoten an den Bus kann kritisch sein, also sollte es sorgfältig durchgeführt werden. Bei Systemen mit zwei Abschlusswiderständen, sogenannten Multi-Point-Systemen, sind leistungsstärkere Treiber erforderlich, um Oszillationen wie LVDS zu erzeugen, während die Last im Bereich von 30 bis 50 Ohm variiert.

Abgeleitete LVDS

Die Tabelle zeigt die wichtigsten Parameter einiger Sorten von LVDS.

Tabelle 1. LVDS-Vergleichstabelle

Parameter LVDS BLVDS M-LVDS GLÜCKEN LVDM
Amplitude am Ausgang 250 - 450 mV 240 - 500 mV 480 - 650 mV 150 - 500 mV 247 - 454 mV
Bias Spannung 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
Erregerstrom 2,5 - 4,5 mA 9 bis 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.
In-Phase-Modus ± 1V ± 1V ± 2V ± 0,5 V ± 1V

LVDS Bus

1997 stellte National Semiconductor den LVDS-Bus für die Steuerung von Boards mit hoher Last und niedriger Eingangsimpedanz vor. Karten mit einer großen Anzahl von Karten (bis zu 20 Stück) in einem kleinen Raum haben in der Regel einen Eingang Widerstand innerhalb von 50-60 Ohm. Bei der Anpassung an beiden Enden in der Größe, zum Beispiel, 54 Ohm der Fahrer tatsächlich trifft eine Last von 27 Ohm. Um die LVDS-Amplituden zu erhalten, muss der Treiberausgangsstrom auf einen Bereich von 10-12 mA verdreifacht werden. Eine weitere Verbesserung in dieser Technologie war die Anpassung der Gesamtausgangsimpedanzen des Fahrers sowie die Technologie zur Verhinderung der gleichzeitigen Nutzung eines Kanals. Wenn mehrere Fahrer gleichzeitig auf den Bus zugreifen, wird der Ausgangsstrom gesenkt, um die E / A-Geräte nicht zu beschädigen.

M-LVDS

Eine neuere Version von LVDS ist die ANSI / TIA / EIA-899-Norm, bekannt als M-LVDS (Multipoint-LVDS). Diese Version unterstützt einen Multipoint-Bus mit Doppel-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 auf 300-400 Mbit / s begrenzt, abhängig von verschiedenen Parametern, z. B. der Länge des Anschlussdrahts 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. Bei der Verwendung von langen Kabeln erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines großen Unterschieds zwischen den Erdpotentialen. So verdoppelte der M-LVDS-Standard den Bereich des In-Phase-LVDS-Modus auf ± 2 V für mehr Stabilität. M-LVDS unterscheidet auch zwei Arten von Empfängern (Abbildung 5). Typ 1, genannt "Datenempfänger", hat Schwellen 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 sinkt. Der Ausgang schaltet auf HIGH bei einer Eingangsspannung von mehr als 150 mV. Der Vorteil der Verschiebung des Schwellenbereichs um +50 mV ist das Aussehen einer 50 mV Rauschspanne.

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

Die Ausgänge werden in diesem Fall auf die LOW-Position 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 - moderne Computerarchitektur für Telekommunikation) gewählt.

GLÜCKEN

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 die Absenkung der Spannungsvorspannung können die GLVDS-Eingänge und -Ausgänge in dedizierte ICs eingebettet und von Niederspannungsquellen von 0,5 V betrieben werden. Jetzt wird GLVDS vom JEDEC-Normenausschuss als Standard betrachtet. JEDEC hat bereits einen Standard veröffentlicht, der mit GLVDS viel gemeinsam hat. Dies ist der SLVS-Standard, der für "variable Niederspannungs-Signalisierung für 400 mV" (JESD8-13) steht. Diese Schnittstelle steht im Einklang mit dem Erdpotential und hat zwei Möglichkeiten für Fahrer und Empfänger. Die Empfänger können entweder einseitig oder differenziert sein und Treiber - sowohl für Punkt-zu-Punkt-Anwendungen als auch für Multipoint-Anwendungen. Der Wechselkurs variiert im Bereich von 1-3 Gbit / s, aber nur für kurze Strecken (weniger als 30 cm). Daher ist die Anwendung dieser Schnittstelle auf den Bereich der Hochgeschwindigkeitsverbindungen von Kristall zu Kristall beschränkt. Dank einer Amplitude von 400 mV und einer Masseanpassung beträgt die Leistungsbusspannung nur 0,8 V. Somit ist diese Schnittstelle mit Niederspannungskernen kompatibel, die in ultradünnen Kristallen spezialisierter ICs verwendet werden.

LVDM

Texas Instruments hat eine Reihe von Komponenten entwickelt, die für Anwendungen mit doppelter Übereinstimmung von 100 Ohm ausgelegt sind. Der Ausgangsstrom des Fahrers ist zweimal höher als der Standard für LVDS, das heißt, 6 mA nominell. So werden bei einer Belastung von 50 Ohm LVDS-Werte erreicht. Diese Technologie kann bei der Arbeit mit bidirektionalen Punkt-zu-Punkt- oder Mehrpunkt-Bussen mit geringer Last eingesetzt werden.

Schlussfolgerung

Der LVDS-Standard gibt dem Entwickler die Möglichkeit, die notwendigen Eigenschaften des Systems nicht zu opfern. Bei der Verwendung dieses Standards werden Daten mit hoher Geschwindigkeit übertragen, wenig Energie verbraucht, das System ist resistent gegen Rauschen und wenig elektromagnetische Störungen entstehen. Neue Typen von LVDS ergänzen den ursprünglichen Standard und erlauben es, in noch mehr Anwendungen eingesetzt zu werden. In naher Zukunft steigen die Datenraten und die Versorgungsspannung sinkt. Unter den Bedingungen der Senkung des Stromverbrauchs, der Reduzierung von elektromagnetischen und Übersprechungen, dürfte sich der Trend zu sinkenden Amplituden, die durch die Schaffung von LVDS initiiert werden, in den folgenden Jahren fortsetzen.

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