В HTML      В PDF
микроэлектроника, микросхема, микроконтроллер, память, msp430, MSP430, Atmel, Maxim, LCD, hd44780, t6963, sed1335, SED1335, mega128, avr, mega128  
  Главная страница > Статьи > Интерфейсы

реклама

 
радиационно стойкие ПЗУ Миландр

Продажа силового и бронированного кабеля и провода в Москве

текст еще



Томас Виршем

Развитие технологии передачи сигнала LVDS

Объем передаваемых данных — гигабиты, потребление — милливатты

Введение

Стандарт передачи дифференциальных сигналов низкого напряжения (LVDS) является сегодня наилучшим решением для систем с высокоскоростными интерфейсами низкого потребления. При использовании LVDS высокая скорость обмена достигается при низком потреблении энергии. Дополнительными преимуществами являются совместимость с источниками питания низкого напряжения, низкий уровень помех и надежная передача сигнала. По этим причинам этот стандарт широко распространен в производстве, в разных сегментах рынка, где необходимы скорость и низкое потребление. Типичными примерами применения данного стандарта являются соединения плат и кабелей в коммутационных переключателях, маршрутизаторах, промышленных камерах, а также в автомобильных развлекательноинформационных системах и системах управления автомобилем. Даже при всех этих преимуществах существуют некоторые ограничения по применению в устройствах, требующих поддержки множества трансиверов на одной шине, питания от шины с низким напряжением и приемников с расширенным диапазоном синфазного сигнала. Это привело к появлению новых стандартов LVDS, дополняющих изначальный стандарт.

Стандарт передачи дифференциальных сигналов низкого напряжения (LVDS)

В 1994 году компания National Semiconductor впервые представила технологию передачи дифференциальных сигналов низкого напряжения (LVDS) в качестве стандартного интерфейса. Требования к ширине полосы пропускания экспоненциально росли, а системные разработчики искали способы снизить потери мощности. Обычным стандартам, таким, как RS-422 и RS-485, не хватало скорости, в то время как ECL (логические схемы с эмиттерными связями) и CML (логические схемы с переключателями тока) обладали достаточной скоростью обмена, но потребляли слишком много электроэнергии. Технология LVDS помогла решить эту проблему без каких-либо компромиссов. Это дифференциальная технология, то есть она использует две линии для передачи сигнала (рис. 1). Кроме того, при использовании LVDS происходит передача сигнала с токовой петлей, при этом логический уровень (высокий или низкий) определяется направлением тока в петле (по или против часовой стрелки). Примерно 3,5 мА идет по одному проводу пары и возвращается по другому. На согласующем резисторе создается напряжение (около ±3,5 мА х 100 Ом = ±350 мВ). Приемник, дифференциальный компаратор, определяет полярность перепада напряжения, при этом положительное значение напряжения соответствует высокому уровню логики, отрицательное значение — низкому. Драйвер обеспечивает 350 мВ дифференциального напряжения на выходе с центром примерно в +1,25 В. Порог срабатывания приемника установлен на 100 мВ при входном диапазоне от 0 до +2,4 В. Это позволяет номинальному активному сигналу сдвигаться вниз или вверх на 1 В в синфазном режиме вследствие разности потенциалов земли. Драйвер предназначен для использования с нагрузкой в 100 Ом, с согласующим резистором 100 Ом.

Упрощенная схема драйвера и приемника LVDS, соединенными через носитель с дифференциальным полным сопротивлением в 100 Ом
Рисунок 1. Упрощенная схема драйвера и приемника LVDS, соединенными через носитель с дифференциальным полным сопротивлением в 100 Ом

Дифференциальная концепция приводит к высокому коэффициенту усиления в форме подавления синфазного сигнала. Благодаря высокой устойчивости к шуму амплитуду сигнала можно понизить всего до нескольких сотен милливольт. Меньшая амплитуда позволяет производить обмен данными быстрее, поскольку нарастание и спад сигнала неплохо контролируются и удерживаются в пределах 1 В/нс. Относительно постоянный небольшой выходной ток снижает фоновый шум и шум питания. Поскольку ток в передающей паре представляет собой тесно связанную токовую петлю, электрические поля рассеяния зачастую исчезают, снижая электромагнитные помехи. Скорость обмена различна в зависимости от каждого отдельного устройства, но в любом случае она находится в пределах 1,5 Гбит/с при постоянном токе. Мощность сводится к минимуму тремя способами. Ток нагрузки ограничивается 3,5 мА, драйвер токового режима обычно ограничивает рассеивание динамической мощности, а ток покоя понижается до минимума при помощи процессов CMOS на субмикронном уровне. Передача дифференциальных сигналов низкого напряжения (LVDS) определена в стандарте ANSI/TIA/EIA-644-A-2001, который является обновлением стандарта ANSI/TIA/EIA-644 1995 года. Данный стандарт задает лишь уровни электрических сигналов LVDS, то есть характеристики выхода драйвера и входа приемника. Этот стандарт необходимо применять вместе с другими стандартами, определяющими полный интерфейс, включая протокол, соединения и носители. Это такие стандарты как Camera Link или интерфейсный стандарт FPD для ноутбуков, определенный SPWG (Рабочая группа стандартных консолей), он также используется во многих специальных приложениях. Кроме того, существуют и другие стандарты. На рис. 2 приведены амплитуды сигналов и напряжения смещения (соответственно) различных стандартов LVDS.

Колебания дифференциальных сигналов и сравнение смещения
Рисунок 2. Колебания дифференциальных сигналов и сравнение смещения

На сегодняшний день LVDS-кристаллы и наборы кристаллов с множеством функций предлагаются несколькими компаниями. Кроме простых линейных драйверов и приемников, осуществляющих преобразование между уровнями LVDS и LVTTL, существуют буферы LVDS–LVDS, координатные переключатели, распределители сигналов (сплиттеры) и устройства распределения синхросигналов.

Особый интерес представляют наборы кристаллов для преобразования из параллельной в последовательную форму и наоборот (SerDes), поскольку они повышают скорость LVDS, что дает большое преимущество всей системе в целом. Технология LVDS предусматривает возможность интеграции вводов–выводов с такими дополнительными схемами, как: схема PLL (схема фазовой автоматической подстройки частоты) для преобразования из параллельной формы в последовательную; с регистромзащелкой и даже с цифровыми схемами, например с тест-портом периферийной автоматической сети с коммутируемыми каналами (Boundary SCAN Test Access Port). На рис. 3 приведен пример подобного набора кристаллов SerDes. Преобразователь из параллельной в последовательную форму SCAN92LV1025 собирает 10 медленных входных сигналов от ТТЛ-схем и преобразовывает их в последовательную форму по одному высокоскоростному каналу LVDS.

Кристалл LVDS преобразователя из параллельной в последовательную форму/преобразователь из последовательной в параллельную форму с добавленным JTAG тестом
Рисунок 3. Кристалл LVDS преобразователя из параллельной в последовательную форму/преобразователь из последовательной в параллельную форму с добавленным JTAG тестом

Синхросигналы передатчика встраиваются в последовательный поток данных путем маркирования данных стартовым (HIGH) и стоповым (LOW) битами. Узкий интерфейс LVDS не требует использования множества контактов, громоздких тяжелых разъемов и кабелей, что, в свою очередь, снижает стоимость системы. Преобразователь из последовательной в параллельную форму SCAN92LV1226 принимает сигнал LVDS, извлекает сигнал синхронизации из потока данных и создает 10-битную ТТЛ-шину. Пропускная способность данного кристалла может достигать 800 Мбит/с полезной информации. Подобные технические решения SerDes идеальны для тех систем, где приходится использовать тонкую проводку, например соединения видеодатчиков в автомобильных шасси, манипуляторы, соединения с измерительными головками в оборудовании автоматической проверки и т.д. Существуют некоторые ограничения LVDS, например уровень синфазного сигнала ±1 В и конечная нагрузка 100 Ом. Это стало причиной появления нескольких вариаций стандарта LVDS1 .


1)Например:

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

Топология шины

В первую очередь LVDS используется в специальных высокоскоростных соединениях “точка–точка”. Драйверу необходимо согласование с линией, а параметры соединения должны выбираться исходя из характеристического входного сопротивления кабеля. Благодаря этому достигается высокое качество передачи сигнала, а его отражение и излучение сводятся к минимуму. Чтобы объяснить разницу между вариантами реализации технологии LVDS, необходимо напомнить базовые конфигурации шин, различные конструкции которых показаны на рис. 4. Самой простой является однонаправленная шина с двумя точками, на конце кабеля которой имеется только один согласующий резистор, а драйвер всегда находится на противоположном конце кабеля. Благодаря высокой помехоустойчивости, конфигурация “точка-точка” поддерживает высокие скорости обмена данными. Такая структура шины позволяет легко создавать гигабитные сети. При этом для двунаправленной передачи данных необходимо выделить отдельную линию (2 пары). В этом случае может осуществляться временная передача данных в двух направлениях, а пропускная способность общей шины увеличивается вдвое.

Различные топологии шины
Рисунок 4. Различные топологии шины

Другой распространенной конфигурацией является классическая система распределения или многоточечная шина. Использование данной конфигурации особенно эффективно, если необходимо передать одну и ту же информацию в несколько точек сразу. Как и в предыдущем случае, драйвер располагается на одном конце шины, а согласующий резистор — на другом. Вдоль шины располагаются два или более приемника с небольшими соединительными проводами. Электрическая длина этих проводов должна быть как можно меньшей, чтобы предотвратить снижение качества сигнала из-за эффекта отражения, помех и т.д. Скорость обмена при использовании многоточечных шин может достигать 400–600 Мбит/с в зависимости от соединительных проводов и нагрузки. Самой гибкой конфигурацией является многоточечная шина с согласованием на обоих концах соединительного провода. Драйвер может находиться в любом месте шины. Работа нескольких драйверов одновременно невозможна, поэтому передача данных носит двусторонний полудуплексный характер. Присоединение узлов сети к шине может оказаться критичным, поэтому его стоит производить аккуратно. Для систем с двумя согласующими резисторами, так называемых многоточечных систем, необходимы более мощные драйверы для создания колебаний, подобных LVDS, в то время как нагрузка колеблется в диапазоне от 30 до 50 Ом.

Производные LVDS

В таблице приведены основные параметры некоторых разновидностей LVDS.

Таблица 1. Сравнительная таблица LVDS

Параметр LVDS BLVDS M-LVDS GLVDS LVDM
Амплитуда на выходе 250 – 450 мВ 240 – 500 мВ 480 – 650 мВ 150 – 500 мВ 247 – 454 мВ
Напряжение смещения 1,125 В 1,3 В 0,3 – 2,1 В 75 – 250 мВ 1,125 В
Завершение 100 W 27 – 50 W 50 W Internal to RX 50 W
Ток возбуждения 2,5 – 4,5 мА 9 – 17 мА 9 – 13 мА Регулируется 6 мА
Ток короткого замыкания < 24 мА < 65 мА < 43 мА - -10 мА
Пороги ± 100 мВ ± 100 мВ ± 50 мВ ± 100 мВ ± 100 мВ
Входное напряжение 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
Синфазный режим ± 1 В ± 1 В ± 2 В ± 0,5 В ± 1 В

Шина LVDS

В 1997 году компания National Semiconductor представила шину LVDS для управления платами с высокой нагрузкой и низким входным сопротивлением. Платы с большим количеством карт (до 20 штук) на небольшом пространстве обычно обладают входным сопротивлением в пределах 50–60 Ом. При согласовании на обоих концах в размере, например, 54 Ом драйвер фактически сталкивается с нагрузкой в 27 Ом. Для получения амплитуд LVDS выходной ток драйвера должен быть увеличен втрое до диапазона 10–12 мА. Еще одним улучшением данной технологии было согласование полных выходных сопротивлений драйвера, а также технология предотвращения одновременного использования одного канала. Если сразу несколько драйверов пытаются получить доступ к шине одновременно, выходной ток будет понижен, чтобы не повредить устройства ввода-вывода.

M-LVDS

Более новый вариант LVDS — стандарт ANSI/TIA/EIA-899, известный как M-LVDS (Multipoint-LVDS — многоточечный LVDS). Данная версия поддерживает многоточечную шину с двойным согласованием и может использовать до 32 узлов. M-LVDS также расширяет диапазон синфазного режима до ±2 В. Максимальная скорость обмена данными 500 Мбит/с. На практике скорость ограничивается 300–400 Мбит/с в зависимости от различных параметров, например длины соединительного провода и требуемого качества сигнала. M-LVDS имеет выходной ток 9–13 мA и обращается и к кабелю, и к соединениям платы. При использовании длинных кабелей вероятность возникновения большой разницы между потенциалами земли увеличивается. Таким образом, стандарт M-LVDS в два раза расширил диапазон синфазного режима LVDS до ±2 В для большей устойчивости. M-LVDS также различает два типа приемников (рис. 5). Тип 1, называемый “приемник данных”, обладает порогами в ±50 мВ с обычным гистерезисом в 30 мВ. Тип 2 или “управляющий приемник” переключает выход в положение LOW при падении входного напряжения ниже 50 мВ. Выход переключается в положение HIGH при входном напряжении выше 150 мВ. Преимуществом сдвига пороговой области на +50 мВ является появление 50 мВ запаса помехоустойчивости.

Ресивер M-LVDS типа 1 и типа 2
Рисунок 5. Ресивер M-LVDS типа 1 и типа 2

Выходы в этом случае переключаются в положение LOW (безаварийный режим). Кстати, M-LVDS был выбран PICMG (PCI группа по производству компьютеров для промышленности) в качестве стандарта передачи сигналов для распределения синхросигналов в ATCAсовместимых системах передачи данных (ATCA — современная архитектура компьютеров для телекоммуникаций).

GLVDS

GLVDS (соотнесенный с землей LVDS) — разработка одной из крупнейших телекоммуникационных компаний. Технология GLDVS аналогична LVDS, за исключением того, что смещение выходного напряжения драйвера ближе к потенциалу земли. Путем понижения смещения напряжения входы-выходы GLVDS могут встраиваться в специализированные ИС и работать от источников с низким напряжением в 0,5 В. Сейчас GLVDS рассматривается Комитетом по стандартизации JEDEC для принятия в качестве стандарта. JEDEC уже опубликовал один стандарт, имеющий много схожего с GLVDS. Это стандарт SLVS, что расшифровывается как “изменяемая передача сигналов низкого напряжения для 400 мВ” (JESD8-13). Данный интерфейс согласуется с потенциалом земли и имеет две опции для драйверов и приемников. Приемники могут быть как односторонними, так и дифференциальными, а драйверы — как для применений “точка–точка”, так и для многоточечных применений. Скорость обмена колеблется в диапазоне 1–3 Гбит/с, но лишь на протяжении коротких дистанций (менее 30 см). Поэтому применение этого интерфейса ограничено областью высокоскоростных соединений от кристалла к кристаллу. Благодаря амплитуде в 400 мВ и согласованию на землю, напряжение шины питания составляет всего 0,8 В. Таким образом, данный интерфейс совместим с ядрами с низким напряжением, используемыми в сверхтонких кристаллах специализированных ИС.

LVDM

Компания Texas Instruments разработала серию компонентов, предназначенных для применений с двойным согласованием в 100 Ом. Выходной ток драйвера в два раза выше стандартного для LVDS, то есть 6 мА номинально. Таким образом, при нагрузке 50 Ом достигаются уровни LVDS. Данная технология может использоваться при работе с двунаправленными шинами “точка–точка” или многоточечными шинами с небольшой нагрузкой.

Вывод

Стандарт LVDS предоставляет разработчику возможность не жертвовать необходимыми характеристиками системы. При использовании этого стандарта данные передаются на высокой скорости, потребляется мало электроэнергии, система устойчива к шумам и создается мало электромагнитных помех. Новые виды LVDS наилучшим образом дополняют изначальный стандарт и позволяют использовать его в еще большем количестве прикладных систем. В ближайшее время скорости передачи данных будут расти, а напряжение питания падать. В условиях понижения энергопотребления, уменьшения электромагнитных и перекрестных помех тенденция к уменьшению амплитуд, начало которой положило создание LVDS, скорее всего сохранится в последующие годы.

Приобрести продукцию и заказать бесплатные образцы компании National Semiconductor можно у официальных дилеров — компаний КОМПЭЛ и Rainbow Technologies.






 
Впервые? | Реклама на сайте | О проекте | Карта портала
тел. редакции: +7 (495) 514 4110. e-mail:info@eust.ru
©1998-2016 ООО Рынок Микроэлектроники