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Développement de la technologie de transmission de signaux LVDS

La quantité de données transmises - gigabits, consommation - milliwatts

Présentation

La norme LVDS (Low Voltage Differential Signaling Standard) est aujourd'hui la meilleure solution pour les systèmes dotés d'interfaces haute vitesse et basse consommation. Lors de l'utilisation de LVDS, un taux de change élevé est atteint avec une faible consommation d'énergie. Les avantages supplémentaires incluent la compatibilité avec des alimentations basse tension, un faible bruit et une transmission de signal fiable. Pour ces raisons, cette norme est largement répandue dans la production, dans différents segments de marché où la vitesse et une faible consommation sont nécessaires. Des exemples typiques de l'application de cette norme sont la connexion de cartes et de câbles dans les commutateurs de commutation, les routeurs, les caméras industrielles, ainsi que dans les systèmes d'information de divertissement automobile et les systèmes de commande de voiture. Même avec tous ces avantages, il existe certaines restrictions sur l'utilisation dans les appareils qui nécessitent la prise en charge de plusieurs émetteurs-récepteurs sur un bus, l'alimentation du bus basse tension et les récepteurs avec une plage de signaux en mode commun étendue. Cela a conduit à l'émergence de nouvelles normes LVDS qui complètent la norme d'origine.

Norme de signalisation différentielle basse tension (LVDS)

En 1994, National Semiconductor a introduit pour la première fois LVDS comme interface standard. Les besoins en bande passante augmentaient de façon exponentielle et les développeurs de systèmes cherchaient des moyens de réduire les pertes de puissance. Les normes conventionnelles, telles que RS-422 et RS-485, manquaient de vitesse, tandis que ECL (circuits logiques avec connexions d'émetteur) et CML (circuits logiques avec commutateurs de courant) avaient un taux de change suffisant, mais consommaient trop d'énergie. La technologie LVDS a permis de résoudre ce problème sans aucun compromis. Il s'agit d'une technologie différentielle, c'est-à-dire qu'elle utilise deux lignes pour transmettre un signal (Fig. 1). De plus, lors de l'utilisation de LVDS, un signal avec une boucle de courant est transmis et le niveau logique (haut ou bas) est déterminé par la direction du courant dans la boucle (dans le sens horaire ou antihoraire). Environ 3,5 mA passe par un fil de la paire et revient dans un autre. Une tension est créée à la résistance de terminaison (environ ± 3,5 mA x 100 Ohms = ± 350 mV). Le récepteur, un comparateur différentiel, détermine la polarité de la chute de tension, tandis qu'une valeur de tension positive correspond à un niveau logique élevé, une valeur négative à une valeur basse. Le pilote fournit 350 mV de tension de sortie différentielle avec un centre d'environ +1,25 V. Le seuil du récepteur est réglé sur 100 mV avec une plage d'entrée de 0 à +2,4 V. Cela permet au signal actif nominal de décroître ou d'augmenter de 1 V mode commun en raison de la différence de potentiel de la terre. Le pilote est destiné à être utilisé avec une charge de 100 ohms, avec une résistance de terminaison de 100 ohms.

Un circuit pilote et récepteur LVDS simplifié connecté via une porteuse avec une impédance différentielle de 100 ohms
Figure 1. Un schéma simplifié du pilote LVDS et du pilote connecté via une porteuse avec une impédance différentielle de 100 Ohms

Le concept différentiel se traduit par un gain élevé sous la forme d'un rejet en mode commun. En raison de sa grande immunité au bruit, l'amplitude du signal peut être réduite à quelques centaines de millivolts seulement. Une amplitude plus petite permet un échange de données plus rapide, car la montée et la descente du signal sont bien contrôlées et maintenues à 1 V / ns. Un petit courant de sortie relativement constant réduit le bruit de fond et le bruit de puissance. Comme le courant dans la paire émettrice est une boucle de courant étroitement connectée, les champs de diffusion électrique disparaissent souvent, ce qui réduit les interférences électromagnétiques. Le taux de change est différent selon chaque appareil individuel, mais dans tous les cas, il est à moins de 1,5 Gbit / s à courant constant. La puissance est minimisée de trois manières. Le courant de charge est limité à 3,5 mA, le pilote de courant limite généralement la dissipation de puissance dynamique et le courant de repos est minimisé par les processus CMOS au niveau submicronique. La signalisation différentielle basse tension (LVDS) est définie dans la norme ANSI / TIA / EIA-644-A-2001, qui est une mise à jour de la norme ANSI / TIA / EIA-644 de 1995. Cette norme définit uniquement les niveaux de signal électrique LVDS, c'est-à-dire les caractéristiques de la sortie du pilote et de l'entrée du récepteur. Cette norme doit être appliquée conjointement avec d'autres normes définissant une interface complète, y compris le protocole, les connexions et les supports. Il s'agit de normes telles que Camera Link ou la norme d'interface FPD pour ordinateurs portables, définies par le SPWG (Working Group of Standard Consoles), et elles sont également utilisées dans de nombreuses applications spéciales. De plus, il existe d'autres normes. Dans la fig. La figure 2 montre les amplitudes du signal et les tensions de polarisation (respectivement) de diverses normes LVDS.

Fluctuations de signaux différentiels et comparaison des biais
Figure 2. Oscillations de signaux différentiels et comparaison des biais

À ce jour, plusieurs cristaux proposent des cristaux LVDS et des ensembles de cristaux aux nombreuses fonctions. En plus des pilotes et récepteurs linéaires simples qui convertissent entre les niveaux LVDS et LVTTL, il existe des tampons LVDS - LVDS, des commutateurs de coordonnées, des distributeurs de signaux (répartiteurs) et des dispositifs de distribution d'horloge.

Les ensembles de cristaux pour la conversion de la forme parallèle en série et vice versa (SerDes) présentent un intérêt particulier, car ils augmentent la vitesse du LVDS, ce qui donne un grand avantage à l'ensemble du système. La technologie LVDS permet d'intégrer les E / S à des circuits supplémentaires tels que: circuit PLL (boucle à verrouillage de phase) pour la conversion de la forme parallèle en série; avec un registre à verrouillage et même avec des circuits numériques, par exemple avec un port de test d'un réseau automatique périphérique à canaux commutés (Boundary SCAN Test Access Port). Dans la fig. La figure 3 montre un exemple d'un ensemble similaire de cristaux SerDes. Le convertisseur parallèle-série SCAN92LV1025 collecte 10 signaux d'entrée lents des circuits TTL et les convertit en forme série sur un canal LVDS à grande vitesse.

Convertisseur Crystal LVDS parallèle à série / Convertisseur série à parallèle avec test JTAG ajouté
Figure 3. Convertisseur parallèle-série / convertisseur série-parallèle Crystal LVDS avec test JTAG ajouté

Les horloges de l'émetteur sont intégrées dans le flux de données série en marquant les données avec des bits de démarrage (HIGH) et d'arrêt (LOW). L'interface LVDS étroite ne nécessite pas l'utilisation de contacts multiples, de connecteurs lourds encombrants et de câbles, ce qui réduit à son tour le coût du système. Le convertisseur série-parallèle SCAN92LV1226 reçoit le signal LVDS, extrait le signal de synchronisation du flux de données et crée un bus TTL 10 bits. Le débit de cette puce peut atteindre 800 Mbps d'informations utiles. Des solutions techniques similaires de SerDes sont idéales pour les systèmes où il est nécessaire d'utiliser un câblage mince, par exemple, les connexions de capteurs vidéo dans le châssis de voiture, les manipulateurs, les connexions aux têtes de mesure dans les équipements de vérification automatique, etc. Il existe certaines limitations au LVDS, comme un signal en phase ± 1 V et une charge finale de 100 ohms. Cela a provoqué plusieurs variations de la norme LVDS 1 .


1) Par exemple:

  1. Norme LVDS ANSI / TIA / EIA-644.
  2. Norme LVDS ANSI / TIA / EIA-644-A.
  3. Norme ANSI / TIA / EIA-899 M-LVDS.
  4. Spécification JEDEC GLVDS, version 1.0.
  5. JEDEC SLVS (JESD8-13) octobre 2001.

Topologie de bus

LVDS est principalement utilisé dans les connexions point à point spéciales à grande vitesse. Le conducteur a besoin d'une coordination avec la ligne et les paramètres de connexion doivent être sélectionnés en fonction de la résistance d'entrée caractéristique du câble. Grâce à cela, une transmission de signal de haute qualité est obtenue, et sa réflexion et son rayonnement sont minimisés. Pour expliquer la différence entre les options de mise en œuvre de la technologie LVDS, il est nécessaire de rappeler les configurations de bus de base, dont les différentes conceptions sont représentées sur la Fig. 4. Le plus simple est un bus unidirectionnel à deux points, à l'extrémité du câble il n'y a qu'une seule résistance de terminaison et le pilote est toujours situé à l'extrémité opposée du câble. En raison de sa grande immunité au bruit, la configuration point à point prend en charge des débits de données élevés. Cette structure de bus facilite la création de réseaux gigabit. Dans le même temps, pour la transmission de données bidirectionnelle, il est nécessaire d'allouer une ligne séparée (2 paires). Dans ce cas, une transmission temporaire de données dans deux directions peut être effectuée et le débit du bus commun est doublé.

Différentes topologies de bus
Figure 4. Différentes topologies de bus

Une autre configuration courante est un système de distribution classique ou un bus multipoint. L'utilisation de cette configuration est particulièrement efficace si vous devez transférer les mêmes informations sur plusieurs points à la fois. Comme dans le cas précédent, le pilote est situé à une extrémité du bus, et la résistance de terminaison est à l'autre. Le long du bus se trouvent deux récepteurs ou plus avec de petits fils de connexion. La longueur électrique de ces fils doit être aussi petite que possible pour éviter une diminution de la qualité du signal due à l'effet de la réflexion, des interférences, etc. Le taux de change lors de l'utilisation de bus multipoints peut atteindre 400–600 Mbit / s selon les fils de connexion et la charge. La configuration la plus flexible est un bus multipoint avec correspondance aux deux extrémités du fil de connexion. Le conducteur peut être situé n'importe où dans le bus. Le fonctionnement de plusieurs pilotes en même temps n'est pas possible, la transmission de données est donc semi-duplex bilatérale. La connexion de nœuds de réseau au bus peut être critique, donc cela doit être fait avec soin. Pour les systèmes à deux résistances de terminaison, les systèmes dits multipoints, des pilotes plus puissants sont nécessaires pour créer des oscillations similaires à LVDS, tandis que la charge varie de 30 à 50 ohms.

Dérivés de LVDS

Le tableau présente les principaux paramètres de certaines variétés de LVDS.

Tableau 1. Tableau de comparaison de LVDS

Paramètre LVDS BLVDS M-LVDS GLVDS LVDM
Amplitude de sortie 250 - 450 mV 240 à 500 mV 480 à 650 mV 150 à 500 mV 247 - 454 mV
Tension de polarisation 1,125 V 1,3 V 0,3 - 2,1 V 75 à 250 mV 1,125 V
Achèvement 100 W 27 à 50 W 50 W Interne à RX 50 W
Courant de champ 2,5 - 4,5 mA 9 à 17 mA 9 à 13 mA Réglable 6 mA
Courant de court-circuit <24 mA <65 mA <43 mA - 10 mA
Seuils ± 100 mV ± 100 mV ± 50 mV ± 100 mV ± 100 mV
Tension d'entrée 0 à +2,4 V 0 à +2,4 V -1,4 à +3,8 V -0,5 à +1 V 0 à +2,4 V
Mode commun ± 1 V ± 1 V ± 2 V ± 0,5 V ± 1 V

Bus LVDS

En 1997, National Semiconductor a introduit le bus LVDS pour contrôler les cartes de circuits imprimés à haute charge et basse impédance. Les cartes avec un grand nombre de cartes (jusqu'à 20 pièces) dans un petit espace ont généralement une impédance d'entrée de 50 à 60 ohms. Lors de l'appariement aux deux extrémités dans une taille, par exemple, de 54 ohms, le pilote rencontre en fait une charge de 27 ohms. Pour obtenir des amplitudes LVDS, le courant de sortie du pilote doit être triplé dans une plage de 10 à 12 mA. Une autre amélioration de cette technologie a été la coordination des impédances de sortie totales du pilote, ainsi que la technologie d'empêcher l'utilisation simultanée d'un canal. Si plusieurs pilotes tentent d'accéder au bus simultanément, le courant de sortie sera abaissé afin de ne pas endommager les périphériques d'E / S.

M-LVDS

Une nouvelle version de LVDS est la norme ANSI / TIA / EIA-899, connue sous le nom de M-LVDS (Multipoint-LVDS - Multipoint LVDS). Cette version prend en charge un bus multipoint avec double correspondance et peut utiliser jusqu'à 32 nœuds. M-LVDS étend également la plage de mode commun à ± 2 V. Le taux de transfert de données maximal est de 500 Mbps. En pratique, la vitesse est limitée à 300-400 Mbit / s en fonction de divers paramètres, tels que la longueur du fil de connexion et la qualité du signal requise. Le M-LVDS a un courant de sortie de 9 à 13 mA et fait référence aux connexions du câble et de la carte. Lors de l'utilisation de câbles longs, la probabilité d'une grande différence entre les potentiels de la terre augmente. Ainsi, la norme M-LVDS a doublé la plage du LVDS en mode commun à ± 2 V pour une plus grande stabilité. M-LVDS distingue également deux types de récepteurs (Fig. 5). Le type 1, appelé «récepteur de données», a des seuils de ± 50 mV avec une hystérésis typique de 30 mV. Le type 2 ou «récepteur de commande» commute la sortie sur BAS lorsque la tension d'entrée tombe en dessous de 50 mV. La sortie passe sur HIGH lorsque la tension d'entrée est supérieure à 150 mV. L'avantage de décaler la région de seuil de +50 mV est l'apparition d'une marge d'immunité au bruit de 50 mV.

Récepteur M-LVDS type 1 et type 2
Figure 5. Récepteur M-LVDS de type 1 et de type 2

Dans ce cas, les sorties sont commutées sur la position LOW (fonctionnement sans problème). Soit dit en passant, M-LVDS a été choisi par PICMG (groupe PCI pour la production d'ordinateurs pour l'industrie) comme norme de transmission de signaux pour la distribution de signaux d'horloge dans les systèmes de transmission de données compatibles ATCA (ATCA - l'architecture moderne des ordinateurs pour les télécommunications).

GLVDS

GLVDS (lié au terrain LVDS) - développement de l'une des plus grandes sociétés de télécommunications. La technologie GLDVS est similaire à LVDS, sauf que le décalage de la tension de sortie du pilote est plus proche du potentiel de terre. En abaissant la tension de polarisation, les entrées et sorties GLVDS peuvent être intégrées dans des circuits intégrés spécialisés et fonctionner sur des sources basse tension de 0,5 V.Le GLVDS est actuellement examiné par le Comité de normalisation JEDEC pour adoption en tant que norme. JEDEC a déjà publié une norme qui a beaucoup en commun avec GLVDS. Il s'agit de la norme SLVS, qui signifie «Transmission à basse tension variable pour 400 mV» (JESD8-13). Cette interface est cohérente avec le potentiel de terre et dispose de deux options pour les pilotes et les récepteurs. Les récepteurs peuvent être unidirectionnels ou différentiels, et les pilotes peuvent être à la fois pour des applications point à point et multipoint. Le taux de change varie dans la plage de 1 à 3 Gbit / s, mais uniquement sur de courtes distances (moins de 30 cm). Par conséquent, l'application de cette interface est limitée à la région des connexions à grande vitesse de cristal à cristal. En raison d'une amplitude de 400 mV et de l'adaptation à la terre, la tension du bus d'alimentation n'est que de 0,8 V. Ainsi, cette interface est compatible avec les noyaux basse tension utilisés dans les cristaux ultra-minces de circuits intégrés spécialisés.

LVDM

Texas Instruments a développé une série de composants conçus pour les applications de double appariement de 100 Ohms. Le courant de sortie du pilote est deux fois plus élevé que la norme pour LVDS, soit 6 mA nominalement. Ainsi, à une charge de 50 ohms, les niveaux LVDS sont atteints. Cette technologie peut être utilisée lorsque vous travaillez avec des bus point à point bidirectionnels ou des pneus multipoints à faible charge.

Conclusion

La norme LVDS offre au développeur la possibilité de ne pas sacrifier les caractéristiques nécessaires du système. Grâce à cette norme, les données sont transmises à grande vitesse, elles consomment peu d'électricité, le système est insensible au bruit et il y a peu d'interférences électromagnétiques. De nouveaux types de LVDS complètent au mieux la norme d'origine et permettent de l'utiliser dans encore plus d'applications. Dans un avenir proche, les taux de transfert de données augmenteront et la tension d'alimentation baissera. Dans des conditions de baisse de la consommation d'énergie, de diminution de l'électromagnétique et de la diaphonie, la tendance à une diminution des amplitudes, qui a commencé avec la création du LVDS, devrait se poursuivre dans les années à venir.

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