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.

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.

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.

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.

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

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.

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.