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Entwicklung der LVDS-Signalübertragungstechnologie

Die übertragene Datenmenge beträgt Gigabit, der Verbrauch beträgt Milliwatt

Einleitung

Der LVDS-Standard (Low Voltage Differential Signaling) ist jetzt die beste Lösung für Systeme mit schnellen Schnittstellen mit niedrigem Verbrauch. Bei der Verwendung von LVDS wird eine hohe Austauschgeschwindigkeit bei geringem Stromverbrauch erreicht. Weitere Vorteile sind Kompatibilität mit Niederspannungsstromversorgungen, geringe Störungen und zuverlässige Signalübertragung. Aus diesen Gründen wird dieser Standard in der Herstellung in verschiedenen Marktsegmenten, in denen Geschwindigkeit und geringer Verbrauch benötigt werden, weit verbreitet. Typische Anwendungen dieser Norm sind Verbindungen von Platinen und Kabeln in Kommutierungsschaltern, Routern, Industriekameras sowie in Autounterhaltungs- und Fahrzeugsteuerungssystemen. Selbst bei all diesen Vorteilen gibt es einige Einschränkungen hinsichtlich der Verwendung in Vorrichtungen, die Unterstützung für mehrere Transceiver auf demselben Bus, Strom von einem Niederspannungsbus und Empfängern mit einem erweiterten Gleichtaktbereich erfordern. Dies führte zur Entstehung neuer LVDS-Standards, die den ursprünglichen Standard ergänzen.

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

1994 führte National Semiconductor erstmals die Technologie der LVDS-Übertragung (Low Voltage Differential Signal) als Standardschnittstelle ein. Die Bandbreitenanforderungen nahmen exponentiell zu, und die Systemdesigner suchten nach Möglichkeiten, Leistungsverluste zu reduzieren. Normale Standards wie RS-422 und RS-485 hatten keine Geschwindigkeit, während ECL (Emitter-gekoppelte Logikschaltungen) und CML (Logikschaltungen mit Stromschaltern) eine ausreichende Wechselrate aufwiesen, aber zu viel Strom verbrauchten. Die LVDS-Technologie hat dazu beigetragen, dieses Problem ohne Kompromisse zu lösen. Dies ist eine Differenziertechnologie, dh es werden zwei Leitungen verwendet, um das Signal zu übertragen (Abbildung 1). Außerdem wird bei Verwendung von LVDS ein Signal mit einer Stromschleife übertragen, während der Logikpegel (hoch oder niedrig) durch die Stromrichtung in der Schleife (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt wird. Etwa 3,5 mA gehen von einem Adernpaar und kehren in einem anderen zurück. Ein passender Widerstand erzeugt eine Spannung (ca. ± 3,5 mA x 100 Ω = ± 350 mV). Ein Empfänger, ein Differentialkomparator, 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 ca. +1,25 V. Die Triggerschwelle des Empfängers ist auf 100 mV mit einem Eingangsbereich von 0 bis +2,4 V eingestellt. Dadurch kann das nominale aktive Signal um 1 V in In-Phase-Modus aufgrund der Erdpotentialdifferenz. Der Treiber ist für eine Last von 100 Ohm mit einem passenden Widerstand von 100 Ohm ausgelegt.

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

Das Differentialkonzept führt zu einer hohen Verstärkung in Form einer Gleichtaktunterdrückung. Durch den hohen Rauschwiderstand kann die Signalamplitude auf wenige Hundert Millivolt reduziert werden. Eine kleinere Amplitude ermöglicht den schnelleren Austausch von Daten, da der Anstieg und Abfall des Signals gut gesteuert werden und innerhalb von 1 V / n gehalten werden. Ein relativ konstanter niedriger Ausgangsstrom reduziert Hintergrundgeräusche und Leistungsrauschen. Da der Strom in dem übertragenden Paar eine eng verbundene Stromschleife ist, verschwinden die elektrischen Streufelder häufig und reduzieren elektromagnetische Störungen. Der Wechselkurs variiert je nach Gerät, in jedem Fall liegt er bei 1,5 Gbps bei konstantem Strom. Die Leistung wird auf drei Arten minimiert. Der Laststrom ist auf 3,5 mA begrenzt, der Strommodus Treiber begrenzt in der Regel die Ableitung der dynamischen Leistung und der Ruhestrom wird durch CMOS-Prozesse im Submikronbereich auf ein Minimum reduziert. Die Übertragung von Niederspannungsdifferenzsignalen (LVDS) ist in der Norm ANSI / TIA / EIA-644-A-2001 definiert, die eine Aktualisierung des Standards ANSI / TIA / EIA- 644 von 1995 darstellt. Diese Norm legt nur die Pegel der LVDS-Signale fest, dh die Treiberausgabe und die Eingangseigenschaften des Empfängers. 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, die vom SPWG (Working Group of Standard Consoles) definiert werden. Er wird auch in vielen speziellen Anwendungen eingesetzt. Darüber hinaus gibt es weitere Standards. In Fig. 2 zeigt die Amplituden der Signale bzw. der Vorspannung der verschiedenen LVDS-Standards.

Differenzielle Wellenformen und Verschiebungsvergleich
Abbildung 2. Oszillation von Differenzsignalen und Vergleich der Verschiebung

Bis heute werden LVDS-Kristalle und Kristallsätze mit vielen Funktionen von mehreren Firmen angeboten. Neben einfachen linearen Treibern und Empfängern, die die Konvertierung zwischen den LVDS- und LVTTL-Pegeln durchführen, gibt es LVDS-LVDS-Puffer, Koordinatenschalter, Signalverteiler (Verteiler) 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 dem gesamten System einen großen Vorteil verschafft. Die LVDS-Technologie bietet die Möglichkeit, I / O mit zusätzlichen Schaltkreisen zu integrieren, wie zum Beispiel: PLL (Phase-Locked Loop) -Schema zur Umwandlung von paralleler in serielle Form; mit einem Latch und sogar digitalen Schaltkreisen, zum Beispiel mit einem Testport eines Boundary SCAN Test Access Port. In Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines ähnlichen Satzes von SerDes-Kristallen. Der Seriell-Seriell-Konverter SCAN92LV1025 sammelt 10 langsame Eingangssignale von TTL-Schaltkreisen und serialisiert diese in einen Hochgeschwindigkeits-LVDS-Kanal.

Crystal LVDS Konverter von parallel zu seriellem Format / Konverter von serieller zu paralleler Form mit hinzugefügtem JTAG Test
Abbildung 3. LVDS Parallel-Seriell-Konverter / Seriell-Parallel-Konverter mit JTAG-Test hinzugefügt

Sendertaktsignale 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 Verbindern und Kabeln, was wiederum die Kosten des Systems verringert. 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 sind ideal für solche Systeme, wo Sie feine Verdrahtung verwenden müssen, zum Beispiel den Anschluss von Videosensoren an Automobilchassis, Manipulatoren, Verbindungen zu Messköpfen in automatischen Prüfgeräten usw. Es gibt einige Beschränkungen für LVDS, wie etwa ein Gleichtaktsignal von ± 1 V und eine Endlast von 100 Ohm. Dies verursachte mehrere 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 verwendet. Der Treiber muss mit der Linie ausgerichtet werden und die Verbindungsparameter müssen auf der Grundlage des charakteristischen Eingangswiderstands des Kabels ausgewählt werden. Hierdurch wird eine hohe Qualität der Signalübertragung erreicht und ihre Reflexion und Strahlung minimiert. Um den Unterschied zwischen LVDS-Technologieimplementierungen zu erklären, ist es notwendig, die Grundkonfigurationen von Reifen in Erinnerung zu rufen, deren verschiedene Konstruktionen in Fig. 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 anderen Ende des Kabels. Aufgrund der hohen Störsicherheit unterstützt die Punkt-zu-Punkt-Konfiguration hohe Datenraten. Diese Busstruktur erleichtert die Erstellung von Gigabit-Netzwerken. In diesem Fall muss für eine bidirektionale Datenübertragung eine separate Leitung (2 Paare) ausgewählt werden. In diesem Fall kann eine temporäre Übertragung von Daten in zwei Richtungen ausgeführt werden, und die Kapazität des gemeinsamen Busses wird verdoppelt.

Unterschiedliche Bustopologien
Abbildung 4. Unterschiedliche Bustopologien

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 ist auf der anderen Seite. Entlang des Reifens befinden sich zwei oder mehr Empfänger mit kleinen Verbindungsdrähten. Die elektrische Länge dieser Leitungen sollte so klein wie möglich sein, um zu verhindern, dass sich die Signalqualität aufgrund von Reflexionen, Interferenzen usw. verschlechtert. Der Wechselkurs bei Verwendung von Mehrpunktbussen kann abhängig von den Anschlussleitungen und der Last 400-600 Mbit / s erreichen. Die flexibelste Konfiguration ist ein Mehrpunktbus mit einer Anpassung an beiden Enden des Verbindungskabels. Der Fahrer kann überall im Bus sein. Der Betrieb mehrerer Treiber ist gleichzeitig nicht möglich, daher hat die Datenübertragung eine zweiseitige Halbduplex-Art. Das Anschließen von Netzwerkknoten an den Bus kann kritisch sein, daher sollte es sauber ausgeführt werden. Bei Systemen mit zwei Abschlusswiderständen, den sogenannten Mehrpunktsystemen, werden stärkere Treiber benötigt, um Schwingungen wie LVDS zu erzeugen, während die Last zwischen 30 und 50 Ohm liegt.

Abgeleitete LVDS

Die Tabelle zeigt die wichtigsten Parameter 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
Bias Spannung 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 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 ± 2 V ± 0,5 V ± 1 V

LVDS-Bus

1997 führte National Semiconductor den LVDS-Bus ein, um Leiterplatten mit hoher Last und niedriger Eingangsimpedanz zu verwalten. Karten mit einer großen Anzahl von Karten (bis zu 20 Stück) auf kleinem Raum haben normalerweise einen Eingangswiderstand von 50-60 Ohm. Bei der Anpassung an beiden Enden, beispielsweise bei 54 Ohm, trifft der Fahrer tatsächlich auf eine Last von 27 Ohm. Um die LVDS-Amplituden zu erhalten, muss der Treiber-Ausgangsstrom auf einen Bereich von 10-12 mA verdreifacht werden. Eine weitere Verbesserung dieser Technologie war die Anpassung der Gesamtimpedanz des Treibers sowie die Technologie, die gleichzeitige Verwendung eines Kanals zu verhindern. Wenn mehrere Treiber versuchen, gleichzeitig auf den Bus zuzugreifen, wird der Ausgangsstrom gesenkt, 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 Doppelabgleich und kann bis zu 32 Knoten verwenden. M-LVDS erweitert auch den Gleichtaktbereich auf ± 2 V. Die maximale Kommunikationsgeschwindigkeit beträgt 500 Mbit / s. In der Praxis ist die Geschwindigkeit auf 300-400 Mbit / s begrenzt, abhängig von verschiedenen Parametern, wie zum Beispiel der Länge des Verbindungskabels und der erforderlichen Signalqualität. M-LVDS hat einen Ausgangsstrom von 9-13 mA und wird sowohl an das Kabel als auch an die Platinenanschlüsse angelegt. Bei langen Kabeln erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines großen Unterschieds zwischen den Erdpotentialen. Somit verdoppelte der M-LVDS-Standard den Bereich des Gleichtakt-LVDS auf ± 2 V für eine größere Stabilität. M-LVDS unterscheidet auch zwischen zwei Arten von Empfängern (Abbildung 5). Der Typ 1, der "Datenempfänger", hat Schwellenwerte von ± 50 mV bei einer konventionellen 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 einer Lärmgrenze 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 LOW-Position (störungsfreier Betrieb) geschaltet. M-LVDS wurde übrigens von PICMG (PCI-Gruppe zur 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 ist ähnlich wie LVDS, mit der Ausnahme, dass der Offset der Treiberausgangsspannung näher am Massepotential liegt. Durch die Verringerung der Spannungsverzerrung können die GLVDS-Eingänge und -Ausgänge in dedizierte ICs eingebettet und von Niederspannungsquellen von 0,5 V betrieben werden. GLVDS wird nun vom JEDEC-Normenausschuss als Standard betrachtet. JEDEC hat bereits einen Standard veröffentlicht, der mit GLVDS sehr viel gemeinsam hat. Dies ist der SLVS-Standard, der für "variable Niederspannungssignalisierung für 400 mV" steht (JESD8-13). Diese Schnittstelle entspricht dem Erdpotential und verfügt über zwei Optionen für Treiber und Empfänger. Empfänger können entweder einseitig oder differentiell sein, und Treiber - sowohl für Punkt-zu-Punkt-Anwendungen als auch für Mehrpunktanwendungen. Der Wechselkurs variiert im Bereich von 1-3 Gbit / s, jedoch nur für kurze Distanzen (weniger als 30 cm). Die Anwendung dieser Schnittstelle ist daher auf den Bereich der Hochgeschwindigkeitsverbindungen von Kristall zu Kristall beschränkt. Dank einer Amplitude von 400 mV und der Erdanpassung beträgt die Leistungsbusspannung nur 0,8 V. Diese Schnittstelle ist daher 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 Anpassung von 100 Ohm ausgelegt sind. Der Ausgangsstrom des Treibers ist zwei Mal höher als der Standard für LVDS, dh 6 mA nominal. Somit werden bei einer Last von 50 Ohm LVDS-Pegel erreicht. Diese Technologie kann bei Arbeiten mit bidirektionalen "Punkt-zu-Punkt" oder Mehrpunktbussen mit geringer Last verwendet werden.

Fazit

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 Strom verbraucht, das System ist unempfindlich gegenüber Rauschen und es entstehen nur geringe elektromagnetische Störungen. Neue LVDS-Typen ergänzen den Originalstandard am besten und ermöglichen den Einsatz in einer noch größeren Anzahl von Anwendungssystemen. In naher Zukunft werden die Datenraten ansteigen und die Versorgungsspannung abfallen. In den folgenden Jahren wird es wahrscheinlich sein, dass die durch die Erzeugung von LVDS ausgelöste Neigung, die Amplituden zu verringern, in den folgenden Jahren verbleibt, um den Stromverbrauch zu senken, die elektromagnetische Wirkung zu verringern und Übersprechen zu reduzieren.

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