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Entwicklung der LVDS-Signalübertragungstechnologie

Die übertragene Datenmenge - Gigabit, Verbrauch - Milliwatt

Einleitung

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 Kompatibilität mit Niederspannungsnetzteilen, geringes Rauschen und zuverlässige Signalübertragung. Aus diesen Gründen ist dieser Standard in der Produktion in verschiedenen Marktsegmenten weit verbreitet, in denen Schnelligkeit und geringer Verbrauch erforderlich sind. Typische Beispiele für die Anwendung dieser Norm sind der Anschluss von Platinen und Kabeln in Switches, Routern, Industriekameras sowie in Unterhaltungsinformationssystemen und Fahrzeugsteuerungssystemen. 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 die LVDS-Technologie (Low Voltage Differential Signaling) als Standardschnittstelle ein. Die Anforderungen an die Bandbreite nahmen exponentiell zu, und Systementwickler suchten nach Möglichkeiten, um die Stromverluste zu verringern. Herkömmlichen Standards wie RS-422 und RS-485 mangelte es an Geschwindigkeit, während ECL (Logikschaltungen mit Emitteranschlüssen) und CML (Logikschaltungen mit Stromschaltern) eine ausreichende Wechselrate 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 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. Ungefähr 3,5 mA gehen durch einen Draht des Paares und kehren in einen anderen zurück. Am Abschlusswiderstand wird eine Spannung angelegt (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 stellt eine Differenzausgangsspannung 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 das aktive Nennsignal um 1 V nach unten oder oben verschoben werden Gleichtakt aufgrund der Potentialdifferenz der Erde. Der Treiber ist für eine Last von 100 Ohm mit einem Abschlusswiderstand von 100 Ohm ausgelegt.

Vereinfachte Treiber- und LVDS-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 der hohen Störfestigkeit kann die Signalamplitude auf wenige hundert Millivolt reduziert werden. Eine kleinere Amplitude ermöglicht einen schnelleren Datenaustausch, da Anstieg und Abfall des Signals gut gesteuert und innerhalb von 1 V / ns gehalten werden. Ein relativ konstanter kleiner Ausgangsstrom reduziert Hintergrundgeräusche und Leistungsgeräusche. Da der Strom im Sendepaar eine eng gekoppelte Stromschleife ist, verschwinden die elektrischen Streufelder häufig und reduzieren elektromagnetische Störungen. Der Wechselkurs ist je nach Gerät unterschiedlich, liegt aber bei konstantem Strom auf jeden Fall 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-Differenzsignalübertragung (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. Hierbei handelt es sich um Standards wie Camera Link oder den von der SPWG (Working Group of Standard Consoles) definierten Interface-FPD-Standard für Laptops, der auch in vielen Spezialanwendungen 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. Oszillationen von Differenzsignalen und Bias-Vergleich

Bisher werden LVDS-Kristalle und Kristallsets mit vielen Funktionen von mehreren Firmen angeboten. Neben einfachen linearen Treibern und Empfängern, die zwischen LVDS- und LVTTL-Pegeln konvertieren, 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 gesamten System einen großen Vorteil verschafft. Die LVDS-Technologie bietet die Möglichkeit, E / A mit zusätzlichen Schaltkreisen zu integrieren, z. B .: PLL-Schaltung (Phase-Locked-Loop) zur Umwandlung von paralleler in serielle Form; mit einem Latch-Register und sogar mit digitalen Schaltungen, beispielsweise mit einem Testport eines peripheren automatischen Netzwerks 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 erfasst 10 langsame Eingangssignale von TTL-Schaltkreisen und wandelt sie unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-LVDS-Kanals in serielle Form um.

Crystal LVDS Parallel zu Seriell Konverter / Seriell zu Parallel Konverter mit hinzugefügtem JTAG Test
Abbildung 3. Parallel-zu-Seriell-Konverter / Seriell-zu-Parallel-Konverter von Crystal LVDS mit hinzugefügtem JTAG-Test

Die Sendertakte werden in den seriellen Datenstrom eingebettet, indem die Daten mit Start- (HIGH) und Stopp- (LOW) Bits markiert werden. Die schmale LVDS-Schnittstelle erfordert nicht die Verwendung mehrerer Kontakte, sperriger schwerer Steckverbinder 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 Kristalls kann 800 Mbit / s an nützlichen Informationen erreichen. Ähnliche technische Lösungen von SerDes eignen sich ideal für Systeme, in denen dünne Kabel verwendet werden müssen, z. B. Videosensoranschlüsse in Kfz-Chassis, Manipulatoren, Anschlüsse an Messköpfe in automatischen Prüfgeräten usw. LVDS unterliegt einigen Einschränkungen, z. B. einem In-Phase-Signal von ± 1 V und einer Endlast von 100 Ohm. 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 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 Abstrahlung werden minimiert. Um den Unterschied zwischen den Optionen für die Implementierung der LVDS-Technologie zu erläutern, müssen die grundlegenden Buskonfigurationen abgerufen werden, deren verschiedene Designs in Abb. 4 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 die Erstellung von Gigabit-Netzwerken. In diesem Fall muss für die bidirektionale Datenübertragung eine separate Leitung (2 Paare) zugewiesen werden. In diesem Fall kann eine temporäre Datenübertragung in zwei Richtungen ausgeführt werden, und der Durchsatz des gemeinsamen Busses wird verdoppelt.

Unterschiedliche 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 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 gering wie möglich sein, um eine Verschlechterung der Signalqualität aufgrund von Reflexionen, Interferenzen usw. zu vermeiden. Der Wechselkurs bei Verwendung von Mehrpunktbussen kann je nach Anschlussleitungen und Last 400–600 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 bidirektional halbduplex. Das Anschließen von Netzwerkknoten an den Bus kann kritisch sein, daher sollte dies sorgfältig erfolgen. Für Systeme mit zwei Abschlusswiderständen, den sogenannten Mehrpunktsystemen, werden leistungsstärkere Treiber benötigt, um LVDS-ähnliche Schwingungen zu erzeugen, während die Last im Bereich von 30 bis 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 RX-intern 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 Hochlastplatinen mit niedriger Eingangsimpedanz ein. Karten mit einer großen Anzahl von Karten (bis zu 20 Stück) auf kleinem Raum haben normalerweise eine Eingangsimpedanz von 50-60 Ohm. Bei einer Anpassung an beiden Enden in einer Größe von beispielsweise 54 Ohm stößt der Fahrer tatsächlich auf 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 dieser Technologie war die Koordination der gesamten Ausgangsimpedanzen 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 Dual Matching 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 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 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 (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 abfällt. 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 Störfestigkeit von 50 mV.

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

Die Ausgänge schalten in diesem Fall auf LOW (störungsfreier Betrieb). Übrigens wurde M-LVDS von PICMG (PCI-Gruppe zur Herstellung von Computern für die Industrie) als Signalübertragungsstandard für die Verteilung von Taktsignalen in ATCA-kompatiblen Datenübertragungssystemen (ATCA - eine moderne Architektur von Computern für die Telekommunikation) ausgewählt.

GLVDS

GLVDS (im Zusammenhang mit LVDS für Grundstücke) - Entwicklung eines der größten Telekommunikationsunternehmen. Die GLDVS-Technologie ähnelt der LVDS-Technologie, mit der Ausnahme, dass der Offset der Treiberausgangsspannung näher am Massepotential liegt. Durch Verringern der Vorspannung können die GLVDS-Eingänge 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 in Betracht gezogen. 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 Massepotential und bietet zwei Optionen für Treiber und Empfänger. Empfänger können entweder Einweg- oder Differenzialempfänger sein, und Treiber können sowohl für Punkt-zu-Punkt-Anwendungen 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 Anwendung dieser Grenzfläche auf den Bereich von Hochgeschwindigkeitsverbindungen von Kristall zu Kristall beschränkt. Dank einer Amplitude von 400 mV und Erdungsanpassung beträgt die Spannung des Leistungsbusses nur 0,8 V. Somit ist diese Schnittstelle mit den in ultradünnen Kristallen spezialisierter ICs verwendeten Niederspannungskernen kompatibel.

LVDM

Texas Instruments hat eine Reihe von Komponenten entwickelt, die für 100-Ohm-Double-Matching-Anwendungen ausgelegt sind. Der Treiberausgangsstrom ist doppelt so hoch wie der Standard für LVDS, d. H. Nominal 6 mA. Somit werden bei einer Last von 50 Ohm LVDS-Pegel erreicht. Diese Technologie kann verwendet werden, wenn mit bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Bussen 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 verbraucht wenig Strom, das System ist unempfindlich gegen Rauschen und es treten nur geringe elektromagnetische Störungen auf. Neue LVDS-Typen ergänzen den ursprünglichen Standard am besten und ermöglichen den Einsatz in noch mehr Anwendungssystemen. In naher Zukunft werden die Datenübertragungsraten steigen und die Versorgungsspannung abfallen. Unter den Bedingungen eines geringeren Energieverbrauchs, einer Verringerung der elektromagnetischen Felder und des Übersprechens dürfte sich die Tendenz zu einer Verringerung der Amplituden, die mit der Entstehung von LVDS begann, in den folgenden Jahren fortsetzen.

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