This page has been robot translated, sorry for typos if any. Original content here.

Розвиток технології передачі сигналу LVDS

Обсяг переданих даних - гігабіта, споживання - мілівати

Вступ

Стандарт передачі диференціальних сигналів низької напруги (LVDS) є сьогодні найкращим рішенням для систем з високошвидкісними інтерфейсами низького споживання. При використанні LVDS висока швидкість обміну досягається при низькому споживанні енергії. Додатковими перевагами є сумісність з джерелами живлення низької напруги, низький рівень перешкод і надійна передача сигналу. З цих причин цей стандарт широко поширений у виробництві, в різних сегментах ринку, де необхідні швидкість і низьке споживання. Типовими прикладами застосування даного стандарту є сполуки плат і кабелів в комутаційних перемикачах, маршрутизаторах, промислових камерах, а також в автомобільних развлекательноінформаціонних системах і системах управління автомобілем. Навіть при всіх цих перевагах існують деякі обмеження щодо застосування в пристроях, що вимагають підтримки безлічі трансіверов на одній шині, харчування від шини з низьким напругою і приймачів з розширеним діапазоном синфазного сигналу. Це призвело до появи нових стандартів LVDS, доповнюють початковий стандарт.

Стандарт передачі диференціальних сигналів низької напруги (LVDS)

У 1994 році компанія National Semiconductor вперше представила технологію передачі диференціальних сигналів низької напруги (LVDS) в якості стандартного інтерфейсу. Вимоги до ширини смуги пропускання експоненціально росли, а системні розробники шукали способи знизити втрати потужності. Звичайним стандартам, таким, як RS-422 і RS-485, не вистачало швидкості, в той час як ECL (логічні схеми з емітерний зв'язками) і CML (логічні схеми з перемикачами струму) володіли достатньою швидкістю обміну, але споживали дуже багато електроенергії. Технологія LVDS допомогла вирішити цю проблему без будь-яких компромісів. Це диференціальна технологія, тобто вона використовує дві лінії для передачі сигналу (рис. 1). Крім того, при використанні LVDS відбувається передача сигналу з струмового петлею, при цьому логічний рівень (високий або низький) визначається напрямом струму в петлі (по або проти годинникової стрілки). Приблизно 3,5 мА йде по одному дроту пари і повертається по іншому. На згоду резисторі створюється напруга (близько ± 3,5 мА х 100 Ом = ± 350 мВ). Приймач, диференціальний компаратор, визначає полярність перепаду напруги, при цьому позитивне значення напруги відповідає високому рівню логіки, від'ємне значення - низькому. Драйвер забезпечує 350 мВ диференціального напруги на виході з центром приблизно в +1,25 В. Поріг спрацьовування приймача встановлено на 100 мВ при вхідному діапазоні від 0 до +2,4 В. Це дозволяє номінальному активному сигналі зсуватися вниз або вгору на 1 В в синфазном режимі внаслідок різниці потенціалів землі. Драйвер призначений для використання з навантаженням в 100 Ом, з согласующим резистором 100 Ом.

Спрощена схема драйвера і приймача LVDS, з'єднаними через носій з диференціальним повним опором в 100 Ом
Малюнок 1. Спрощена схема драйвера і приймача LVDS, з'єднаними через носій з диференціальним повним опором в 100 Ом

Диференціальна концепція призводить до високого коефіцієнту підсилення в формі придушення синфазного сигналу. Завдяки високій стійкості до шуму амплітуду сигналу можна знизити всього до кількох сотень мілівольт. Менша амплітуда дозволяє проводити обмін даними швидше, оскільки наростання і спад сигналу непогано контролюються і утримуються в межах 1 В / нс. Щодо постійний невеликий вихідний струм знижує фоновий шум і шум харчування. Оскільки струм в передавальної парі представляє собою тісно пов'язану струмовий петлю, електричні поля розсіювання найчастіше зникають, знижуючи електромагнітні перешкоди. Швидкість обміну різна в залежності від кожного окремого пристрою, але в будь-якому випадку вона знаходиться в межах 1,5 Гбіт / с при постійному струмі. Потужність зводиться до мінімуму трьома способами. Струм навантаження обмежується 3,5 мА, драйвер токового режиму зазвичай обмежує розсіювання динамічної потужності, а струм спокою знижується до мінімуму за допомогою процесів CMOS на субмікронних рівні. Передача диференціальних сигналів низької напруги (LVDS) визначена в стандарті ANSI / TIA / EIA-644-A-2001, який є оновленням стандарту ANSI / TIA / EIA-644 1995 року. Даний стандарт задає лише рівні електричних сигналів LVDS, тобто характеристики виходу драйвера і входу приймача. Цей стандарт слід застосовувати разом з іншими стандартами, що визначають повний інтерфейс, включаючи протокол, з'єднання та носії. Це такі стандарти як Camera Link або інтерфейсний стандарт FPD для ноутбуків, певний SPWG (Робоча група стандартних консолей), він також використовується в багатьох спеціальних додатках. Крім того, існують і інші стандарти. На рис. 2 наведені амплітуди сигналів і напруги зсуву (відповідно) різних стандартів LVDS.

Коливання диференціальних сигналів і порівняння зміщення
Малюнок 2. Коливання диференціальних сигналів і порівняння зміщення

На сьогоднішній день LVDS-кристали та набори кристалів з безліччю функцій пропонуються декількома компаніями. Крім простих лінійних драйверів і приймачів, які здійснюють перетворення між рівнями LVDS і LVTTL, існують буфери LVDS-LVDS, координатні перемикачі, розподільники сигналів (сплітери) і пристрої розподілу синхросигналов.

Особливий інтерес представляють набори кристалів для перетворення з паралельної в послідовну форму і навпаки (SerDes), оскільки вони підвищують швидкість LVDS, що дає велику перевагу всій системі в цілому. Технологія LVDS передбачає можливість інтеграції вводів-висновків з такими додатковими схемами, як: схема PLL (схема фазової автоматичного підстроювання частоти) для перетворення з паралельної форми в послідовну; з регістромзащелкой і навіть з цифровими схемами, наприклад з тест-портом периферійної автоматичної мережі з комутованими каналами (Boundary SCAN Test Access Port). На рис. 3 наведено приклад подібного набору кристалів SerDes. Перетворювач з паралельної в послідовну форму SCAN92LV1025 збирає 10 повільних вхідних сигналів від ТТЛ-схем і перетворює їх в послідовну форму по одному високошвидкісному каналу LVDS.

Кристал LVDS перетворювача з паралельної в послідовну форму / перетворювач з послідовної в паралельну форму з доданим JTAG тестом
Малюнок 3. Кристал LVDS перетворювача з паралельної в послідовну форму / перетворювач з послідовної в паралельну форму з доданим JTAG тестом

Синхросигнали передавача вбудовуються в послідовний потік даних шляхом маркування даних стартовим (HIGH) і стоповим (LOW) бітами. Вузький інтерфейс LVDS не вимагає використання безлічі контактів, громіздких важких роз'ємів і кабелів, що, в свою чергу, знижує вартість системи. Перетворювач з послідовної в паралельну форму SCAN92LV1226 приймає сигнал LVDS, витягує сигнал синхронізації з потоку даних і створює 10-бітну ТТЛ-шину. Пропускна здатність даного кристала може досягати 800 Мбіт / с корисної інформації. Подібні технічні рішення SerDes ідеальні для тих систем, де доводиться використовувати тонку проводку, наприклад з'єднання відеодатчиків в автомобільних шасі, маніпулятори, з'єднання з вимірювальними головками в обладнанні автоматичної перевірки і т.д. Існують деякі обмеження LVDS, наприклад рівень синфазного сигналу ± 1 В і кінцева навантаження 100 Ом. Це стало причиною появи декількох варіацій стандарту LVDS 1.


1) Наприклад:

  1. Стандарт ANSI / TIA / EIA-644 LVDS.
  2. Стандарт ANSI / TIA / EIA-644-A LVDS.
  3. Стандарт ANSI / TIA / EIA-899 M-LVDS.
  4. Специфікація JEDEC GLVDS, версія 1.0.
  5. JEDEC SLVS (JESD8-13) жовтень 2001.

топологія шини

В першу чергу LVDS використовується в спеціальних високошвидкісних з'єднаннях "точка-точка". Драйверу необхідно узгодження з лінією, а параметри з'єднання повинні вибиратися виходячи з характеристичного вхідного опору кабелю. Завдяки цьому досягається висока якість передачі сигналу, а його відображення і випромінювання зводяться до мінімуму. Щоб пояснити різницю між варіантами реалізації технології LVDS, необхідно нагадати базові конфігурації шин, різні конструкції яких показані на рис. 4. Найпростішою є односпрямована шина з двома точками, на кінці кабелю якій є тільки один узгоджувальний резистор, а драйвер завжди знаходиться на протилежному кінці кабелю. Завдяки високій завадостійкості, конфігурація "точка-точка" підтримує високі швидкості обміну даними. Така структура шини дозволяє легко створювати гігабітні мережі. При цьому для двобічної передачі даних необхідно виділити окрему лінію (2 пари). В цьому випадку може здійснюватися тимчасова передача даних у двох напрямках, а пропускна здатність загальної шини збільшується вдвічі.

Різні топології шини
Малюнок 4. Різні топології шини

Іншою поширеною конфігурацією є класична система розподілу або многоточечная шина. Використання даної конфігурації особливо ефективно, якщо необхідно передати одну і ту ж інформацію в декілька точок відразу. Як і в попередньому випадку, драйвер розташовується на одному кінці шини, а погоджує резистор - на іншому. Уздовж шини розташовуються два або більше приймача з невеликими сполучними проводами. Електрична довжина цих проводів повинна бути якомога меншою, щоб запобігти зниженню якості сигналу через ефект відображення, перешкод і т.д. Швидкість обміну при використанні багатоточкових шин може досягати 400-600 Мбіт / с в залежності від з'єднувальних проводів і навантаження. Самою гнучкою конфігурацією є многоточечная шина з погодженням на обох кінцях з'єднувального проводу. Драйвер може знаходитися в будь-якому місці шини. Робота декількох драйверів одночасно неможлива, тому передача даних носить двосторонній напівдуплексний характер. Приєднання вузлів мережі до шини може виявитися критичним, тому його варто проводити акуратно. Для систем з двома погоджують резисторами, так званих багатоточкових систем, необхідні більш потужні драйвери для створення коливань, подібних LVDS, в той час як навантаження коливається в діапазоні від 30 до 50 Ом.

похідні LVDS

У таблиці наведені основні параметри деяких різновидів LVDS.

Таблиця 1. Порівняльна таблиця LVDS

параметр LVDS BLVDS M-LVDS GLVDS LVDM
Амплітуда на виході 250 - 450 мВ 240 - 500 мВ 480 - 650 мВ 150 - 500 мВ 247 - 454 мВ
напруга зсуву 1,125 В 1,3 В 0,3 - 2,1 В 75 - 250 мВ 1,125 В
завершення 100 W 27 - 50 W 50 W Internal to RX 50 W
струм збудження 2,5 - 4,5 мА 9 - 17 мА 9 - 13 мА регулюється 6 мА
Струм короткого замикання <24 мА <65 мА <43 мА - -10 мА
пороги ± 100 мВ ± 100 мВ ± 50 мВ ± 100 мВ ± 100 мВ
Вхідна напруга 0 to +2,4 В 0 to +2,4 В -1,4 to +3,8 В -0,5 to +1 В 0 to +2,4 В
синфазних режим ± 1 В ± 1 В ± 2 В ± 0,5 В ± 1 В

шина LVDS

У 1997 році компанія National Semiconductor представила шину LVDS для управління платами з високим навантаженням і низьким вхідним опором. Плати з великою кількістю карт (до 20 штук) на невеликому просторі зазвичай володіють вхідним опором в межах 50-60 Ом. При узгодженні на обох кінцях в розмірі, наприклад, 54 Ом драйвер фактично стикається з навантаженням в 27 Ом. Для отримання амплітуд LVDS вихідний струм драйвера повинен бути збільшений втричі до діапазону 10-12 мА. Ще одним поліпшенням даної технології було узгодження повних вихідних опорів драйвера, а також технологія запобігання одночасного використання одного каналу. Якщо відразу кілька драйверів намагаються отримати доступ до шини одночасно, вихідний струм буде знижений, щоб не пошкодити пристрої введення-виведення.

M-LVDS

Більш новий варіант LVDS - стандарт ANSI / TIA / EIA-899, відомий як M-LVDS (Multipoint-LVDS - многоточечний LVDS). Дана версія підтримує многоточечную шину з подвійним узгодженням і може використовувати до 32 вузлів. M-LVDS також розширює діапазон синфазного режиму до ± 2 В. Максимальна швидкість обміну даними 500 Мбіт / с. На практиці швидкість обмежується 300-400 Мбіт / с в залежності від різних параметрів, наприклад довжини з'єднувального проводу і необхідної якості сигналу. M-LVDS має вихідний струм 9-13 мА і звертається і до кабелю, і до з'єднань плати. При використанні довгих кабелів ймовірність виникнення великої різниці між потенціалами землі збільшується. Таким чином, стандарт M-LVDS в два рази розширив діапазон синфазного режиму LVDS до ± 2 В для більшої стійкості. M-LVDS також розрізняє два типи приймачів (рис. 5). Тип 1, званий "приймач даних", володіє порогами в ± 50 мВ зі звичайним гістерезисом в 30 мВ. Тип 2 або "керуючий приймач" перемикає вихід в положення LOW при падінні вхідної напруги нижче 50 мВ. Вихід переключається в положення HIGH при вхідній напрузі вище 150 мВ. Перевагою зсуву порогової області на +50 мВ є поява 50 мВ запасу завадостійкості.

Ресивер M-LVDS типу 1 і типу 2
Малюнок 5. Ресивер M-LVDS типу 1 і типу 2

Виходи в цьому випадку перемикаються в положення LOW (безаварійний режим). До речі, M-LVDS був обраний PICMG (PCI група з виробництва комп'ютерів для промисловості) в якості стандарту передачі сигналів для розподілу синхросигналов в ATCAсовместімих системах передачі даних (ATCA - сучасна архітектура комп'ютерів для телекомунікацій).

GLVDS

GLVDS (співвіднесений з землею LVDS) - розробка однієї з найбільших телекомунікаційних компаній. Технологія GLDVS аналогічна LVDS, за винятком того, що зміщення вихідної напруги драйвера ближче до потенціалу землі. Шляхом зниження зміщення напруги входи-виходи GLVDS можуть вбудовуватися в спеціалізовані ІС і працювати від джерел з низьким напругою в 0,5 В. Зараз GLVDS розглядається Комітетом по стандартизації JEDEC для прийняття в якості стандарту. JEDEC вже опублікував один стандарт, який має багато схожого з GLVDS. Це стандарт SLVS, що розшифровується як "змінна передача сигналів низької напруги для 400 мВ" (JESD8-13). Даний інтерфейс узгоджується з потенціалом землі і має дві опції для драйверів і приймачів. Приймачі можуть бути як односторонніми, так і диференціальними, а драйвери - як для застосувань "точка-точка", так і для багатоточкових застосувань. Швидкість обміну коливається в діапазоні 1-3 Гбіт / с, але лише протягом коротких дистанцій (менше 30 см). Тому застосування цього інтерфейсу обмежене областю високошвидкісних з'єднань від кристала до кристалу. Завдяки амплітуді в 400 мВ і погодженням на землю, напруга шини живлення становить всього 0,8 В. Таким чином, даний інтерфейс сумісний з ядрами з низькою напругою, використовуваними в надтонких кристалах спеціалізованих ІС.

LVDM

Компанія Texas Instruments розробила серію компонентів, призначених для застосувань з подвійним узгодженням в 100 Ом. Вихідний струм драйвера в два рази вище за стандартний для LVDS, тобто 6 мА номінально. Таким чином, при навантаженні 50 Ом досягаються рівні LVDS. Дана технологія може використовуватися при роботі з двонаправленими шинами "точка-точка" або багатоточковими шинами з невеликим навантаженням.

висновок

Стандарт LVDS надає розробникові можливість не жертвувати необхідними характеристиками системи. При використанні цього стандарту дані передаються на високій швидкості, споживається мало електроенергії, система стійка до шумів і створюється мало електромагнітних завад. Нові види LVDS найкращим чином доповнюють початковий стандарт і дозволяють використовувати його в ще більшій кількості прикладних систем. Найближчим часом швидкості передачі даних будуть рости, а напруга живлення падати. В умовах зниження енергоспоживання, зменшення електромагнітних і перехресних перешкод тенденція до зменшення амплітуд, початок якої поклало створення LVDS, швидше за все збережеться в наступні роки.

Придбати продукцію і замовити безкоштовні зразки компанії National Semiconductor можна у офіційних дилерів - компаній КОМПЕЛ і Rainbow Technologies.