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Die Entwicklung der Signalübertragungstechnologie LVDS

Das Volumen der übertragenen Daten - Gigabit, Verbrauch - Milliwatt

Einleitung

Der Low Voltage Differential Signal Transmission 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 Kompatibilität mit Niederspannungsnetzteilen, geringes Rauschen und zuverlässige Signalübertragung. Aus diesen Gründen wird diese Norm häufig in der Fertigung in verschiedenen Marktsegmenten eingesetzt, in denen Schnelligkeit und geringer Verbrauch erforderlich sind. Typische Beispiele für die Anwendung dieser Norm sind die Anschlüsse von Platinen und Kabeln in Switches, Routern, Industriekameras sowie in Kfz-Infotainmentsystemen und Kfz-Steuerungssystemen. Trotz all dieser Vorteile gibt es einige Einschränkungen bei der Verwendung von Geräten, die die Unterstützung mehrerer Transceiver auf einem einzigen 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 Anforderungen an die Bandbreite nahmen exponentiell zu, und Systementwickler suchten nach Möglichkeiten, um den Energieverlust zu verringern. Normalen Standards wie RS-422 und RS-485 mangelte es an Geschwindigkeit, während ECL (Emitter Coupled Logic Circuits) und CML (Current Switching Logic Circuits) einen ausreichenden Wechselkurs aufwiesen, aber zu viel Strom verbrauchten. Die LVDS-Technologie hat zur kompromisslosen Lösung dieses Problems beigetragen. Hierbei handelt es sich um eine Differenztechnologie, bei der zwei Leitungen zur Signalübertragung verwendet werden (Abb. 1). Außerdem wird bei Verwendung von LVDS ein Signal von der Stromschleife gesendet, und der logische Pegel (hoch oder niedrig) wird durch die Richtung des Stroms in der Schleife (im oder gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt. Ungefähr 3,5 mA gehen durch ein Kabelpaar und kehren über das andere zurück. Am Abschlusswiderstand wird eine Spannung erzeugt (ca. ± 3,5 mA x 100 Ω = ± 350 mV). Der Empfänger, ein Differentialkomparator, bestimmt die Polarität des Spannungsabfalls, wobei ein positiver Spannungswert einem hohen Logikpegel entspricht, ein negativer Wert einem niedrigen. Der Treiber stellt eine differenzielle Ausgangsspannung von 350 mV mit einer Mitte von ungefähr +1,25 V bereit. Die Empfängerschwelle ist auf 100 mV mit einem Eingangsbereich von 0 bis +2,4 V eingestellt. Dadurch kann sich das nominale aktive Signal nach unten oder bis zu 1 V bewegen Gleichtakt aufgrund der Potentialdifferenz der Erde. Der Treiber ist für die Verwendung mit einer Last von 100 Ohm und einem Abschlusswiderstand von 100 Ohm ausgelegt.

Vereinfachtes Diagramm des Treibers und Empfängers LVDS, verbunden über einen Träger mit einer Differenzimpedanz von 100 Ohm
Abbildung 1. Vereinfachtes Diagramm des über einen Träger mit einer Differenzimpedanz von 100 Ohm verbundenen LVDS von Treiber und Empfänger

Das Differentialkonzept führt zu einer hohen Verstärkung in Form einer 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 im Sendepaar eine eng verwandte Stromschleife ist, verschwinden die elektrischen Streufelder häufig, wodurch elektromagnetische Störungen verringert werden. Der Wechselkurs ist je nach Gerät unterschiedlich, liegt aber bei konstantem Strom in jedem Fall innerhalb von 1,5 Gbit / s. Die Leistung wird auf drei Arten minimiert. Der Laststrom ist auf 3,5 mA begrenzt, der Strommodustreiber begrenzt normalerweise die dynamische Verlustleistung und der Ruhestrom wird unter Verwendung von CMOS-Prozessen auf Submikron-Ebene auf ein Minimum reduziert. 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 legt nur 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. Hierbei handelt es sich um Standards wie den Camera Link- oder FPD-Schnittstellenstandard für Laptops, der von der SPWG (Working Group of Standard Consoles) definiert wurde und auch in vielen Spezialanwendungen verwendet wird. Hinzu kommen weitere Standards. In Abb. Fig. 2 zeigt die Amplituden der Signale bzw. die Vorspannung verschiedener LVDS-Standards.

Differenzsignalschwingungen und Offset-Vergleich
Abbildung 2. Differenzsignalschwingungen und Verschiebungsvergleich

Bisher werden LVDS-Kristalle und Kristallsets mit vielen Funktionen 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 Sätze von Kristallen zur Umwandlung von paralleler in serielle Form und umgekehrt (SerDes), da sie die Geschwindigkeit von LVDS erhöhen, was dem Gesamtsystem einen großen Vorteil verschafft. Die LVDS-Technologie bietet die Möglichkeit, E / A mit zusätzlichen Schaltkreisen zu integrieren, z. B .: einem PLL-Schaltkreis (Phase Automatic Frequency Tuning) zur Umwandlung von paralleler in serielle Form; mit einem Register-Latch und sogar mit digitalen Schaltungen, beispielsweise mit einem Testport eines peripheren automatischen Netzwerks mit geschalteten Kanälen (Boundary SCAN Test Access Port). In Abb. 3 zeigt ein Beispiel eines solchen Satzes von SerDes-Kristallen. Ein Parallel-Seriell-Wandler SCAN92LV1025 sammelt 10 langsame Eingangssignale von TTL-Schaltungen und wandelt sie über einen Hochgeschwindigkeits-LVDS-Kanal in serielle Form um.

Parallel zu Seriell LVDS Konverter / Seriell zu Parallel Wandler mit JTAG Test hinzugefügt
Abbildung 3. LVDS-Kristall 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 Stopp- (LOW) Bits markiert werden. Die schmale LVDS-Schnittstelle erfordert nicht die Verwendung mehrerer Stifte, sperriger schwerer Steckverbinder und Kabel, was wiederum die Systemkosten senkt. Der Konverter von seriell nach parallel SCAN92LV1226 empfängt das LVDS-Signal, extrahiert das Synchronisationssignal aus dem Datenstrom und erstellt einen 10-Bit-TTL-Bus. Die Kapazität dieses Kristalls kann 800 Mbit / s an nützlichen Informationen erreichen. Solche technischen Lösungen eignen sich ideal für Systeme, in denen dünne Verdrahtungen erforderlich sind, z. B. Verbindungen von Videosensoren in Kraftfahrzeugchassis, Manipulatoren, Verbindungen mit Messköpfen in automatischen Prüfgeräten usw. Es gibt einige Einschränkungen des LVDS, z. B. einen Gleichtaktsignalpegel von ± 1 V und eine Endlast von 100 Ω. Dies verursachte verschiedene 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 übereinstimmen, und die Verbindungsparameter sollten basierend auf dem charakteristischen Eingangswiderstand des Kabels ausgewählt werden. Dadurch wird eine hohe Qualität der Signalübertragung erreicht und deren Reflexion und Abstrahlung minimiert. Um den Unterschied zwischen den Implementierungsoptionen der LVDS-Technologie zu erläutern, müssen die grundlegenden Reifenkonfigurationen abgerufen werden, deren verschiedene Designs in Abb. 4 dargestellt sind. 4. Der einfachste ist ein unidirektionaler Zweipunktbus, der nur einen Abschlusswiderstand am Ende des Kabels und den Treiber immer am gegenüberliegenden Ende des Kabels hat. Aufgrund der hohen Störfestigkeit unterstützt die „Punkt-zu-Punkt“ -Konfiguration hohe Datenaustauschraten. Diese Busstruktur erleichtert die Erstellung von Gigabit-Netzwerken. Gleichzeitig muss für die bidirektionale Datenübertragung eine separate Leitung (2 Paare) zugewiesen werden. In diesem Fall kann eine temporäre Datenübertragung in zwei Richtungen durchgeführt werden, und die Kapazität des gemeinsamen Busses wird verdoppelt.

Unterschiedliche Bustopologien
Abbildung 4. Verschiedene Bustopologien

Eine andere übliche Konfiguration ist das klassische Verteilungssystem oder der Mehrpunktbus. Die Verwendung dieser Konfiguration ist besonders effektiv, wenn Sie die gleichen Informationen an mehrere Stellen 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 Verbindungskabeln. Die elektrische Länge dieser Drähte sollte so kurz wie möglich sein, um eine Beeinträchtigung der Signalqualität durch Reflexion, Interferenz usw. zu vermeiden. Der Wechselkurs bei Verwendung von Mehrpunktbussen kann je nach Anschlussdrähten und Last zwischen 400 und 600 Mbit / s betragen. Die flexibelste Konfiguration ist ein Mehrpunktbus mit einer Anpassung an beiden Enden des Verbindungskabels. Der Fahrer kann überall im Bus sein. 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 erfolgen. Für Systeme mit zwei passenden Widerständen, den sogenannten Mehrpunktsystemen, werden leistungsstärkere Treiber benötigt, 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 RX-intern 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
Stromschnellen ± 100 mV ± 100 mV ± 50 mV ± 100 mV ± 100 mV
Eingangsspannung 0 bis + 2,4V 0 bis + 2,4V -1,4 bis +3,8 V -0,5 bis +1 V 0 bis + 2,4V
Gleichtakt ± 1 V ± 1 V ± 2 V ± 0,5 V ± 1 V

LVDS-Reifen

1997 führte National Semiconductor den LVDS-Bus zur Steuerung von Hochlastplatinen mit niedriger Eingangsimpedanz ein. 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. Bei Verhandlungen an beiden Enden mit einer Größe von beispielsweise 54 Ohm wird der Fahrer tatsächlich mit 27 Ohm belastet. 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 vollen Ausgangsimpedanzen des Treibers sowie die Technologie, um die gleichzeitige Nutzung 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 - Multipoint-LVDS). Diese Version unterstützt Mehrpunktbusse 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 abhängig von verschiedenen Parametern wie der Länge des Verbindungskabels und der erforderlichen Signalqualität auf 300-400 Mbit / s begrenzt. M-LVDS hat einen Ausgangsstrom von 9–13 mA und adressiert sowohl die Kabel- als auch die Kartenverbindungen. Bei Verwendung langer Kabel steigt die Wahrscheinlichkeit eines großen Unterschieds zwischen den Potentialen der Erde. Somit hat der M-LVDS-Standard den Bereich des Gleichtakt-LVDS auf ± 2 V für eine größere Stabilität verdoppelt. 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 auf LOW, wenn die Eingangsspannung unter 50 mV abfällt. Der Ausgang schaltet in die Position HIGH, wenn die Eingangsspannung über 150 mV liegt. Der Vorteil der Verschiebung des Schwellenbereichs um +50 mV ist das Auftreten eines Rauschabstands von 50 mV.

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

Die Ausgänge werden in diesem Fall auf LOW geschaltet (Störungsfreier Modus). Übrigens wurde M-LVDS von PICMG (PCI-Gruppe für die Herstellung von Computern für die Industrie) als Signalisierungsstandard für die Verteilung von Taktsignalen in ATCA-kompatiblen Datenübertragungssystemen ausgewählt (ATCA ist eine moderne Computerarchitektur für die Telekommunikation).

GLVDS

GLVDS (korreliert mit dem Land LVDS) - die 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 Reduzieren des Spannungsversatzes können die GLVDS-Ein- / Ausgänge in spezialisierte ICs integriert und mit Niederspannungsquellen von 0,5 V betrieben werden. Das GLVDS wird derzeit vom JEDEC-Standardisierungskomitee zur Annahme als Standard geprüft. JEDEC hat bereits einen Standard veröffentlicht, der viel mit GLVDS gemeinsam hat. Dies ist ein Standard-SLVS, der für „variable Übertragung von Niederspannungssignalen für 400 mV“ (JESD8-13) steht. Diese Schnittstelle entspricht dem Massepotential und bietet zwei Optionen für Treiber und Empfänger. Empfänger können sowohl Einweg- als auch Differenzialempfänger 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 Strecken (unter 30 cm). Daher ist die Verwendung dieser Schnittstelle auf den Bereich von Hochgeschwindigkeitsverbindungen von Kristall zu Kristall beschränkt. Aufgrund der Amplitude von 400 mV und der Masseanpassung beträgt die Versorgungsbusspannung 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 doppelt passende 100-Ohm-Anwendungen ausgelegt sind. Der Treiberausgangsstrom ist doppelt so hoch wie der Standard für LVDS, dh nominell 6 mA. Somit werden bei einer Last von 50 Ohm LVDS-Pegel erreicht. Diese Technologie kann verwendet werden, wenn mit bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Reifen oder Mehrpunkt-Reifen mit geringer Last gearbeitet wird.

Fazit

Der LVDS-Standard bietet 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 Energie verbraucht, das System ist rauschresistent und es werden nur geringe 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 abfallen. Unter den Bedingungen eines geringeren Stromverbrauchs, einer Verringerung der elektromagnetischen Felder und des Übersprechens dürfte sich die durch die Entstehung von LVDS ausgelöste Tendenz zur Abnahme der Amplituden in den Folgejahren fortsetzen.

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