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Développement de la technologie de transmission de signal LVDS

La quantité de données transférées est gigabit, la consommation est de milliwatts

Introduction

La norme LVDS (Low Voltage Differential Signaling) est aujourd'hui la meilleure solution pour les systèmes avec des interfaces basse consommation à haute vitesse. Lors de l'utilisation de LVDS, une grande vitesse d'échange est obtenue avec une faible consommation d'énergie. Des avantages supplémentaires sont la compatibilité avec les alimentations basse tension, les faibles interférences et la transmission fiable des signaux. Pour ces raisons, cette norme est largement utilisée dans la fabrication, dans différents segments de marché où la vitesse et la faible consommation sont nécessaires. Les applications typiques de cette norme sont les connexions de cartes et de câbles dans les commutateurs de commutation, les routeurs, les caméras industrielles, ainsi que dans les systèmes de divertissement automobile et de contrôle des véhicules. Même avec tous ces avantages, il existe certaines restrictions sur l'utilisation dans les dispositifs qui nécessitent la prise en charge de plusieurs émetteurs-récepteurs sur le même bus, l'alimentation à partir d'un bus basse tension et les récepteurs avec une plage étendue de modes communs. Cela a conduit à l'émergence de nouvelles normes LVDS, complétant la norme originale.

La norme pour la transmission de signaux différentiels basse tension (LVDS)

En 1994, National Semiconductor a introduit pour la première fois la technologie de transmission de signaux différentiels basse tension (LVDS) en tant qu'interface standard. Les besoins en bande passante augmentaient de façon exponentielle, et les concepteurs de systèmes cherchaient des moyens de réduire les pertes de puissance. Les normes normales, telles que RS-422 et RS-485, manquaient de vitesse, alors que ECL (circuits logiques couplés par émetteur) et CML (circuits logiques avec commutateurs de courant) avaient un taux de change suffisant, mais consommaient trop de puissance. La technologie LVDS a aidé à résoudre ce problème sans aucun compromis. C'est une technologie différentielle, c'est-à-dire qu'elle utilise deux lignes pour transmettre le signal (Figure 1). En outre, lors de l'utilisation de LVDS, un signal est transmis avec une boucle de courant, tandis que le niveau logique (haut ou bas) est déterminé par la direction actuelle dans la boucle (dans le sens horaire ou antihoraire). Environ 3,5 mA passe par une paire de fils et revient dans une autre paire. Une résistance correspondante produit une tension (environ ± 3,5 mA x 100 Ω = ± 350 mV). Un récepteur, un comparateur différentiel, détermine la polarité de la chute de tension, avec une valeur de tension positive correspondant à un niveau logique haut, une valeur négative à une valeur basse. Le conducteur fournit une tension différentielle de 350 mV à la sortie centrée autour de +1.25 V. Le seuil de déclenchement 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 décaler de 1 V vers le bas. en phase en raison de la différence de potentiel de masse. Le pilote est conçu pour une charge de 100 ohms, avec une résistance correspondante de 100 ohms.

Un circuit pilote et récepteur simplifié LVDS connecté via un support avec une impédance différentielle de 100 ohms
Figure 1. Circuit pilote et récepteur LVDS simplifié connecté via un support avec une impédance différentielle de 100 ohms

Le concept différentiel conduit à un gain élevé sous la forme d'un rejet en mode commun. En raison de la grande résistance au bruit, l'amplitude du signal peut être réduite à quelques centaines de millivolts seulement. Une amplitude plus faible permet un échange plus rapide des données, puisque la montée et la chute du signal sont bien contrôlées et maintenues à moins de 1 V / ns. Un courant de sortie faible et relativement constant réduit le bruit de fond et le bruit de puissance. Puisque le courant dans la paire d'émission est une boucle de courant étroitement connectée, les champs de diffusion électrique disparaissent souvent, réduisant les interférences électromagnétiques. Le taux de change varie en fonction de chaque appareil, mais dans tous les cas, il est inférieur à 1,5 Gbit / s à un courant constant. La puissance est minimisée de trois façons. Le courant de charge est limité à 3,5 mA, le driver du mode courant limite généralement la dissipation de la puissance dynamique, et le courant de repos est réduit au minimum par les processus CMOS au niveau submicronique. La transmission des signaux différentiels 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 spécifie uniquement les niveaux de signaux électriques LVDS, c'est-à-dire les caractéristiques de sortie du pilote et d'entrée du récepteur. Cette norme doit être appliquée avec d'autres normes qui définissent l'interface complète, y compris le protocole, les connexions et les médias. Ce sont des normes telles que Camera Link ou la norme d'interface FPD pour les ordinateurs portables définis par le SPWG (Groupe de travail des consoles standard), il est également utilisé dans de nombreuses applications spéciales. En outre, il existe d'autres normes. Dans la Fig. 2 montre les amplitudes des signaux et la tension de polarisation (respectivement) des différentes normes LVDS.

Formes d'ondes différentielles et comparaison de déplacement
Figure 2. Oscillation des signaux différentiels et comparaison du déplacement

À ce jour, les cristaux LVDS et les ensembles de cristaux avec de nombreuses fonctions sont offerts par plusieurs entreprises. En plus des pilotes et des récepteurs linéaires simples qui effectuent la conversion entre les niveaux LVDS et LVTTL, il existe des buffers LVDS-LVDS, des commutateurs de coordonnées, des distributeurs de signaux (séparateurs) et des dispositifs de distribution d'horloge.

Particulièrement intéressants sont les ensembles de cristaux pour la transformation de parallèle en série et vice versa (SerDes), car ils augmentent la vitesse de LVDS, ce qui donne un grand avantage à l'ensemble du système. La technologie LVDS offre la possibilité d'intégrer des E / S avec des circuits supplémentaires tels que: PLL (boucle à verrouillage de phase) pour la conversion de la forme parallèle à la forme sérielle; avec un verrou et même des circuits numériques, par exemple avec un port de test d'un port d'accès au test Boundary SCAN. Dans la Fig. 3 montre un exemple d'un ensemble similaire de cristaux SerDes. Le convertisseur série-série SCAN92LV1025 recueille 10 signaux d'entrée lents des circuits TTL et les sérialise en un seul canal LVDS haute vitesse.

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

Les signaux d'horloge de l'émetteur sont intégrés dans le flux de données série en marquant les données avec les bits de démarrage (HIGH) et d'arrêt (LOW). L'interface étroite LVDS ne nécessite pas l'utilisation de plusieurs contacts, de lourds connecteurs lourds et de câbles, ce qui à son tour réduit 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 de 10 bits. La bande passante de ce cristal peut atteindre 800 Mbit / s d'informations utiles. Ces solutions techniques de SerDes sont idéales pour les systèmes où vous devez utiliser un câblage fin, par exemple, connecter des capteurs vidéo à un châssis automobile, des manipulateurs, des connexions à des têtes de mesure dans un équipement de contrôle automatique, etc. Il existe certaines limitations du LVDS, telles qu'un signal en mode commun de ± 1 V et une charge finale de 100 ohms. Cela a causé plusieurs variations de la norme LVDS 1 .


1) Par exemple:

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

Topologie de bus

Tout d'abord, LVDS est utilisé dans des connexions point-à-point spéciales à grande vitesse. Le pilote doit être aligné avec la ligne et les paramètres de connexion doivent être sélectionnés en fonction de la résistance d'entrée caractéristique du câble. Pour cette raison, la transmission du signal est de haute qualité et sa réflexion et son rayonnement sont minimisés. Afin d'expliquer la différence entre les implémentations de la technologie LVDS, il est nécessaire de rappeler les configurations de base des pneus, dont les différentes conceptions sont illustrées à la Fig. 4. Le plus simple est un bus unidirectionnel à deux points, à la fin du câble, il n'y a qu'une seule résistance de terminaison, et le conducteur est toujours à l'extrémité opposée du câble. En raison de son immunité élevée 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 ce cas, pour un transfert de données bidirectionnel, il est nécessaire de sélectionner une ligne séparée (2 paires). Dans ce cas, une transmission temporaire des données dans deux directions peut être effectuée, et la capacité du bus commun est doublée.

Différentes topologies de bus
Figure 4. Topologies de bus différentes

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 la même information à plusieurs points à la fois. Comme dans le cas précédent, le driver est situé à une extrémité du bus, et la résistance de terminaison est de l'autre. Le long du pneu, il y a deux récepteurs ou plus avec de petits fils de connexion. La longueur électrique de ces fils doit être aussi faible que possible afin d'éviter que la qualité du signal ne se détériore en raison de la réflexion, des interférences, etc. Le taux d'échange lors de l'utilisation de bus multipoint peut atteindre 400-600 Mbit / s, en fonction des fils de connexion et de la charge. La configuration la plus flexible est un bus multipoint avec correspondance aux deux extrémités du fil de connexion. Le conducteur peut être n'importe où dans le bus. Le fonctionnement de plusieurs pilotes est simultanément impossible, par conséquent le transfert de données a une nature semi-duplex bilatérale. La connexion de nœuds de réseau au bus peut être critique, donc cela devrait être fait proprement. Pour les systèmes avec deux résistances de terminaison, les systèmes dits multi-points, des pilotes plus puissants sont nécessaires pour créer des oscillations comme LVDS, tandis que la charge varie de 30 à 50 ohms.

LVDS dérivé

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

Tableau 1. Tableau de comparaison LVDS

Paramètre LVDS BLVDS M-LVDS GLVDS LVDM
Amplitude à la sortie 250 - 450 mV 240 - 500 mV 480 - 650 mV 150 - 500 mV 247 - 454 mV
Tension de polarisation 1,125V 1,3 V 0,3 - 2,1 V 75 - 250 mV 1,125V
Achèvement 100 W 27 - 50 W 50 W Interne à RX 50 W
Courant d'excitation 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 en phase ± 1 V ± 1 V ± 2V ± 0,5 V ± 1 V

LVDS bus

En 1997, National Semiconductor a introduit le bus LVDS pour gérer les cartes à forte charge et faible impédance d'entrée. Les cartes avec un grand nombre de cartes (jusqu'à 20 pièces) dans un petit espace ont généralement une résistance d'entrée comprise entre 50 et 60 ohms. En faisant correspondre les deux extrémités à une taille, par exemple de 54 ohms, le conducteur rencontre effectivement une charge de 27 ohms. Pour obtenir les amplitudes LVDS, le courant de sortie du variateur doit être triplé dans une plage de 10 à 12 mA. Une autre amélioration de cette technologie a été l'adaptation des impédances de sortie globales du pilote, ainsi que la technologie empêchant l'utilisation simultanée d'un canal. Si plusieurs pilotes tentent d'accéder au bus en même temps, le courant de sortie sera réduit 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). 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. La vitesse de communication maximale est de 500 Mbps. En pratique, la vitesse est limitée à 300-400 Mbit / s, en fonction de divers paramètres, par exemple, la longueur du fil de connexion et la qualité du signal requis. Le M-LVDS a un courant de sortie de 9-13 mA et est appliqué 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 masse 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 (figure 5). Le type 1, appelé "récepteur de données", a des seuils de ± 50 mV avec une hystérésis conventionnelle de 30 mV. Le type 2 ou «récepteur de contrôle» commute la sortie sur BAS lorsque la tension d'entrée chute en dessous de 50 mV. La sortie passe à HIGH avec une tension d'entrée supérieure à 150 mV. L'avantage du décalage de la région seuil de +50 mV est l'apparition d'une marge de bruit de 50 mV.

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

Les sorties dans ce cas sont commutées sur la position BAS (mode sans problème). En passant, PICMG (groupe PCI pour la production d'ordinateurs pour l'industrie) a choisi M-LVDS comme standard de transmission de signaux pour la distribution de signaux d'horloge dans des systèmes de transmission de données compatibles ATCA (ATCA - architecture informatique moderne pour les télécommunications).

GLVDS

GLVDS (corrélé avec LVDS land) est le développement de l'une des plus grandes sociétés de télécommunication. La technologie GLDVS est similaire à LVDS, sauf que le décalage de la tension de sortie du pilote est plus proche du potentiel de masse. En abaissant le biais de tension, les entrées et sorties GLVDS peuvent être intégrées dans des circuits intégrés dédiés et exploitées à partir de sources basse tension de 0,5 V. Maintenant, le GLVDS est considéré par le Comité des normes JEDEC comme une norme. JEDEC a déjà publié une norme, qui a beaucoup en commun avec GLVDS. C'est la norme SLVS, qui signifie «signalisation basse tension variable pour 400 mV» (JESD8-13). Cette interface est compatible avec le potentiel du sol et dispose de deux options pour les pilotes et les récepteurs. Les récepteurs peuvent être unidirectionnels ou différentiels, et les pilotes - pour les applications point à point et les applications multipoint. Le taux de change varie entre 1 et 3 Gbit / s, mais seulement sur de courtes distances (moins de 30 cm). Par conséquent, l'application de cette interface est limitée au domaine des connexions à grande vitesse du cristal au cristal. Grâce à une amplitude de 400 mV et une mise à la masse, 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 des applications avec un double couplage de 100 ohms. Le courant de sortie du driver est deux fois supérieur à la norme LVDS, c'est-à-dire 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 multipoint à faible charge.

Conclusion

La norme LVDS donne au développeur la possibilité de ne pas sacrifier les caractéristiques nécessaires du système. Lors de l'utilisation de cette norme, les données sont transmises à haute vitesse, peu d'énergie est consommée, le système est résistant au bruit et peu d'interférences électromagnétiques sont créées. De nouveaux types de LVDS complètent le standard original et permettent de l'utiliser dans un nombre encore plus important de systèmes d'application. Dans un proche avenir, les débits de données augmenteront et la tension d'alimentation diminuera. Dans des conditions d'abaissement de la consommation électrique, de réduction de la diaphonie électromagnétique et de la diaphonie, la tendance à réduire les amplitudes initiées par la création de LVDS devrait persister au cours des années suivantes.

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