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Développement de la technologie de transmission de signal LVDS

La quantité de données transférées - gigabits, consommation - milliwatts

Introduction

Le standard de signalisation différentielle basse tension (LVDS) est aujourd'hui la meilleure solution pour les systèmes dotés d'interfaces haut débit 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, une transmission de signal fiable et à faible bruit. Pour ces raisons, cette norme est répandue dans la production, dans différents segments de marché où la rapidité et la faible consommation sont nécessaires. Les 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 et les systèmes de contrôle de voiture. Même avec tous ces avantages, il existe certaines restrictions d'utilisation dans les appareils nécessitant la prise en charge de plusieurs émetteurs-récepteurs sur un bus, l'alimentation du bus basse tension et les récepteurs avec une plage de signal étendue en mode commun. 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 la technologie de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) comme interface standard. Les besoins en bande passante croissaient de manière exponentielle et les développeurs de systèmes cherchaient des moyens de réduire les pertes d’énergie. Les normes classiques, telles que RS-422 et RS-485, manquaient de vitesse, tandis que les circuits ECL (circuits logiques avec connexions émettrices) et CML (circuits logiques avec commutateurs de courant) avaient un taux de transfert 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 des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse). Environ 3,5 mA traversent un fil de la paire et reviennent dans un autre. Une tension est créée au niveau de 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 une tension de sortie différentielle de 350 mV 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 driver est conçu pour être utilisé avec une charge de 100 ohms, avec une résistance de terminaison de 100 ohms.

Circuit conducteur et récepteur LVDS simplifiés connectés via une porteuse d'impédance différentielle de 100 ohms
Figure 1. Schéma simplifié du pilote LVDS et du pilote connecté via une porteuse avec une impédance différentielle de 100 Ohms

Le concept différentiel entraîne un gain élevé sous la forme d'une réjection de mode commun. Grâce à sa grande immunité au bruit, l’amplitude du signal peut être réduite à quelques centaines de millivolts. Une amplitude plus petite permet un échange de données plus rapide, car les montées et les baisses du signal sont bien contrôlées et maintenues dans les limites de 1 V / ns. Un courant de sortie relativement faible réduit le bruit de fond et le bruit de puissance. Étant donné que le courant dans la paire émettrice est une boucle de courant étroitement couplée, les champs de diffusion électriques disparaissent souvent, ce qui réduit les interférences électromagnétiques. Le taux de change est différent selon les appareils, mais dans tous les cas, il se situe dans les limites de 1,5 Gbit / s à courant constant. La puissance est réduite de trois manières. Le courant de charge est limité à 3,5 mA, le pilote de courant limite généralement la dissipation dynamique de puissance et le courant de repos est minimisé par les processus CMOS au niveau submicronique. La transmission de signal différentiel basse tension (LVDS) est définie dans la norme ANSI / TIA / EIA-644-A-2001, qui constitue une mise à jour de la norme 1995 ANSI / TIA / EIA-644. 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 un protocole, des connexions et des supports. Il s'agit de normes telles que Camera Link ou la norme d'interface FPD pour ordinateurs portables, définie par le SPWG (groupe de travail des consoles standard), qui sont également utilisées dans de nombreuses applications spéciales. En outre, il existe d'autres normes. Sur la fig. La figure 2 montre les amplitudes du signal et les tensions de polarisation (respectivement) de différentes normes LVDS.

Comparaison De Fluctuations De Signal Et De Biais
Figure 2. Oscillations de signaux différentiels et comparaison de biais

À ce jour, plusieurs sociétés proposent des cristaux LVDS et des ensembles de cristaux aux fonctions multiples. Outre les pilotes et les récepteurs linéaires simples qui convertissent les niveaux LVDS en LVTTL, il existe des mémoires tampons LVDS - LVDS, des commutateurs de coordonnées, des distributeurs de signaux (diviseurs) et des dispositifs de distribution d'horloge.

Les ensembles de cristaux destinés à la conversion de la forme parallèle en série et inversement (SerDes) présentent un intérêt particulier, car ils augmentent la vitesse de LVDS, ce qui confère un grand avantage à l'ensemble du système. La technologie LVDS offre la possibilité d’intégrer des E / S à des circuits supplémentaires tels que: un circuit PLL (boucle à verrouillage de phase) pour la conversion de la forme parallèle à la forme série; avec un registre à bascule 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). Sur 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 provenant de circuits TTL et les convertit en format série à l'aide d'un canal LVDS haut débit.

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

Les horloges de l'émetteur sont intégrées au flux de données série en marquant les données avec des bits de départ (HIGH) et d'arrêt (LOW). L’interface LVDS étroite ne nécessite pas l’utilisation de contacts multiples, de connecteurs et de câbles lourds et encombrants, ce qui 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 à 10 bits. Le débit de ce cristal peut atteindre 800 Mbps d'informations utiles. Les solutions techniques similaires de SerDes sont idéales pour les systèmes dans lesquels vous devez utiliser un câblage fin, par exemple les connexions de capteurs vidéo dans les châssis de voitures, les manipulateurs, les connexions aux têtes de mesure dans les équipements de vérification automatique, etc. Il existe certaines limitations au LVDS, telles qu'un signal en phase de ± 1 V et une charge finale de 100 ohms. Cela a conduit à plusieurs variantes 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 JEDEC GLVDS, version 1.0.
  5. JEDEC SLVS (JESD8-13), octobre 2001.

Topologie de bus

LVDS est principalement utilisé dans des connexions spéciales haut débit point à point. Le pilote 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 du signal de haute qualité est obtenue et sa réflexion et son rayonnement sont minimisés. Pour expliquer la différence entre les options d’implémentation de la technologie LVDS, il est nécessaire de rappeler les configurations de bus de base, dont les différentes conceptions sont illustrées à la Fig. 4. Le plus simple est un bus unidirectionnel à deux points. À l'extrémité du câble, il n'y a qu'une résistance de terminaison et le pilote est toujours situé à l'extrémité opposée du câble. En raison de sa forte 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 gigabits. Dans ce cas, pour la transmission de données bidirectionnelle, il est nécessaire d’attribuer une ligne distincte (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 à plusieurs endroits à la fois. Comme dans le cas précédent, le driver est situé à une extrémité du bus et la résistance de terminaison 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 dégradation de la qualité du signal due à l'effet de réflexion, d'interférences, etc. Le taux de change lors de l’utilisation de bus multipoints peut atteindre 400 à 600 Mbit / s en fonction des câbles 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 situé n'importe où sur le bus. Le fonctionnement simultané de plusieurs pilotes n’est pas possible. La transmission de données est donc bidirectionnelle en semi-duplex. La connexion de nœuds de réseau au bus peut être cruciale et doit donc être effectuée avec soin. Pour les systèmes à deux résistances de terminaison, appelés systèmes multipoints, des pilotes plus puissants sont nécessaires pour créer des oscillations similaires à celles de LVDS, tandis que la charge varie de 30 à 50 ohms.

Dérivés de LVDS

Le tableau montre 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 - 500 mV 480 - 650 mV 150 - 500 mV 247 - 454 mV
Tension de polarisation 1,125 V 1,3 V 0,3 - 2,1 V 75 - 250 mV 1,125 V
Achèvement 100 W 27 - 50 W 50 W Interne à RX 50 W
Courant de champ 2,5 - 4,5 mA 9 - 17 mA 9 - 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 le contrôle de cartes à forte charge avec une impédance d'entrée faible. 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. Lorsque la mise en correspondance aux deux extrémités atteint par exemple une taille de 54 ohms, le pilote rencontre en réalité une charge de 27 ohms. Pour obtenir les amplitudes LVDS, le courant de sortie du pilote doit être triplé dans une plage allant de 10 à 12 mA. Une autre amélioration de cette technologie a été la coordination des impédances de sortie totales du conducteur, ainsi que la technologie empêchant l'utilisation simultanée d'un canal. Si plusieurs pilotes tentent d'accéder au bus simultanément, le courant de sortie sera réduit afin de ne pas endommager les périphériques d'E / S.

M-LVDS

Une version plus récente 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 à double correspondance et peut utiliser jusqu'à 32 nœuds. Le M-LVDS étend également la plage de mode commun à ± 2 V. Le débit 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. 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 longs câbles, 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 contrôle” commute la sortie sur LOW lorsque la tension d'entrée tombe en dessous de 50 mV. La sortie bascule 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 Type 1 et Type 2 M-LVDS
Figure 5. Récepteurs de type 1 et de type 2 M-LVDS

Dans ce cas, les sorties commutent sur la position LOW (fonctionnement sans problème). À propos, M-LVDS a été choisi par le 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 à la terre LVDS) - développement de l’une des plus grandes entreprises de télécommunications. La technologie GLDVS est similaire à LVDS, sauf que le décalage de la tension de sortie du circuit d'attaque est plus proche du potentiel de la terre. En abaissant la tension de polarisation, les entrées et les sorties du système GLVDS peuvent être intégrées dans des circuits intégrés spécialisés et exploitées sur des sources à basse tension de 0,5 V. Le Comité de normalisation JEDEC est en train d’examiner le projet de normalisation. 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 compatible avec le potentiel de masse et offre deux options pour les pilotes et les récepteurs. Les récepteurs peuvent être unidirectionnels ou différentiels, et les pilotes peuvent être utilisés pour des applications point à point ainsi que pour des applications multipoints. Le taux de change varie 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. Grâce à une amplitude de 400 mV et à la 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 de double appariement de 100 Ohm. Le courant de sortie du circuit d'attaque 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 bidirectionnels point à point ou des pneus multipoints avec une charge réduite.

Conclusion

La norme LVDS offre 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 grande vitesse, elles consomment peu d'électricité, le système est résistant au bruit et les interférences électromagnétiques sont faibles. Les nouveaux types de LVDS complètent au mieux la norme d'origine et permettent son utilisation dans encore plus de systèmes d'application. Dans un proche avenir, les taux de transfert de données vont augmenter et la tension d'alimentation baisser. Dans des conditions de réduction de la consommation d'énergie, de réduction des perturbations électromagnétiques et de la diaphonie, la tendance à la diminution des amplitudes, qui a commencé avec la création du LVDS, devrait se poursuivre au cours des prochaines années.

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