Юрий Гончаров

Интерфейс LVDS и его применение

В последнее время среди всевозможных шинных и интерфейсных решений все чаще выделяют скоростной и достаточно неприхотливый интерфейс LVDS. Его применение позволяет достичь скорости передачи до 400–600 Мбит/c по одной паре, причем практически без применения всевозможных экзотических элементов. В этой статье рассматривается не только сам интерфейс LVDS, но и вопросы его применения, построения LVDS-каналов и интеграцию их в состав устройства. Причем основное внимание уделяется не предельным показателям, достигнутым в лабораторных условиях, а именно рекомендациям по проектированию реальных решений на основе доступных компонентов, которые могут быть применены в реальных устройствах, чтобы помочь разработчикам в решении проблем.

Проблема как передать данные из точки А в точку В существовала всегда. С развитием электроники она только расширилась и переросла в проблему как передать требуемый объем данных на требуемое расстояние с требуемой скоростью. Мощность устройств растет, скорость обмена и разрядность растут. Расстояние для скоростной шины уже давно является достаточно серьезной проблемой. Современные микросхемы и построенные на их базе устройства развивают все большую мощность и скорость обработки. С увеличением скорости и разрядности все острее встает проблема обмена данными как между микросхемами, так и между модулями в составе устройства. Существующие методы предлагали либо многоразрядные параллельные шины с достаточно «капризными» сигнальными системами, либо, в случае с междумодульным и междусистемным обменом — всевозможные ухищрения, вплоть до дорогих оптических систем передачи.

Как вариант транспорта для межмодульного и межкорпусного обмена мы рассмотрим стремительно набирающий популярность интерфейс LVDS. Созданный как достаточно специфический стандарт обмена для подключения LCD-матриц в мобильных компьютерах, интерфейс LVDS показал себя недорогим и удобным решением. В его силах организация сверскоростного обмена между микросхемами на плате, минимизация количества линий за счет перевода из параллельной в последовательную передачу по LVDS, обеспечение скоростного межмодульного соединения на расстояние до нескольких метров по кабелю, организация скоростных шинных решений.

При этом LVDS-каналы не требуют каких-либо специфических и дорогостоящих материалов, а просто огранизуются на обычной печатной плате и работают по недорогим кабелям, таким как, например, широко известный и доступный кабель CAT5.

Рис. 1. Метод передачи интерфейса LVDS

Метод передачи

Интерфейс LVDS использует дифференциальную передачу сигналов с малыми сигнальными уровнями. На рис. 1 показана схема передачи одного канала LVDS. Передатчик управляет дифференциальной линией. В линию выдается токовая посылка с током 3,5 мА. Нагрузкой линии служат параллельно включенные дифференциальный LVDS-приемник и 100 Ом резистор. Сам приемник имеет высокое входное сопротивление, и основное формирование сигнала происходит на нагрузочном резисторе. При токе линии 3,5 мА на нем формируется падение напряжения 350 мВ, которое и детектируется приемником. При переключении направления тока в линии меняется полярность напряжения на нагрузочном резисторе, формируя состояния логического нуля и логической единицы.

Используемая схема передачи имеет целый ряд преимуществ.

LVDS-интерфейс имеет высокую скорость передачи данных. Определенная стандартом максимальная скорость составляет до 622 Мбит/с, что сравнимо с оптическим интерфейсом. При этом реальное быстродействие LVDS-канала ограничивается двумя факторами: скоростью подачи и съема данных и параметрами среды передачи.

Используемый дифференциальный метод передачи сигналов позволяет максимально снизить влияние внешних наводок. Малое изменение напряжения, симметричные линии передачи и низкое нарастание напряжения (1 В/нс) обусловливают малый уровень наводок от самого интерфейса. В свою очередь, малый уровень перекрестных наводок и низкая чувствительность к внешним наводкам позволяют использовать высокую плотность соединений как на печатной плате, так и в кабеле. Метод передачи LVDS не зависит от напряжения питания и работает при напряжении питания передатчика и приемника 5 В, 3 В или 2,5 В. При этом сопряжение устройств с разным напряжением питания не является проблемой.

Используемый метод передачи позволяет также существенно снизить энергопотребление интерфейса. На 100 Ом нагрузке LVDS при падении напряжения 400 мВ составляет 1,2 мВт. Для сравнения, интерфейс RS-422 имеет рассеиваемую мощность на нагрузке порядка 90 мВт, что в 75 раз больше.

Следует отметить и простоту терминирования сигнальных LVDS-линий — для этого требуется всего один резистор для каждой пары, и все. Для сравнения, другие скоростные методы требуют пары резисторов, один из которых подключается на землю, а второй к питанию, причем зачастую не напрямую, а через специальный источник.

LVDS-стандарт

LVDS-интерфейс описывается двумя стандартами: ANSI/TIA/EIA-644 и IEEE 1596.3. TIA-644 — общий стандарт. Он описывает электрическую часть интерфейса — выходные и входные параметры приемника. Стандарт не включает в себя функциональное описание, протокол обмена или полные характеристики кабеля, поскольку все это зависит от приложения.

Таблица. Основные электрические параметры LVDS-интерфейса

В таблице приведены основные электрические параметры LVDS-интерфейса.

Стандарт определяет рекомендуемую максимальную скорость передачи 655 Мбит/c (при определенных граничных условиях) и теоретическую скорость 1923 Мбит/c при использовании линии с нулевыми потерями. Максимальная скорость передачи определяется в зависимости от требуемого качества сигнала на приемном конце и типа и длины используемой среды передачи.

Стандартом также определяются минимальные граничные требования к среде передачи, поведение приемника и передатчика при выходе параметров за граничные значения и ряд конфигурационных определений, такие как работа на несколько приемников.

Измерение качества сигнала при передаче по LVDS-интерфейсу

Дальность и скорость передачи данных по LVDS-каналу определяются параметрами самого канала. При полном отсутствии каких-либо помех эти величины достигают предельных значений. Однако на практике условия работы всегда отличаются от идеальных, поэтому существуют ограничения на скорость и дальность передачи данных.

Рассмотрим основные виды помех и искажений при работе по LVDS и методы их оценки на передаваемые данные, определяющие качество LVDS-канала.

Поскольку LVDS-канал является дифференциальным каналом, то наиболее распространенным и наглядным интегральным методом оценки искажений сигнала служит так называемая глаз-диаграмма.

Центральный глаз диаграммы и определяет качество канала — чем он больше, тем лучше качество канала. Для количественной оценки применяется параметр, называемый «Процент дрожания» (% Jitter), который определяется по приведенной на рис. 2 формуле как остаточный процент от ширины символа, детектируемый LVDS-приемником.

Рис. 2. Глаз-диаграмма

Указанный на глаз-диаграмме разброс фронтов представляет наложенные друг на друга максимальные искажения фронтов сигнала, которые определяются целым рядом факторов. Самый первый фактор — это межсимвольная интерференция. Затухание уровня сигнала и всевозможные искажения среды передачи делают различными время нарастания и спада фронтов передаваемого сигнала. Кроме того, фронты искажают и неравномерность частотной характеристики канала. Все это приводит к тому, что форма импульса на приемном конце далека от идеальной и, кроме того, зависит от последовательности передаваемых символов, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Междусимвольные искажения

Другим очень важным фактором, влияющим на качество сигнала, является отражение сигнала на приемном конце тракта и на всем его протяжении. Нарушение правил терминирования линии или непрерывности импеданса является весьма существенным фактором, влияющим на искажения сигнала.

На рис. 4 показаны примеры импеданса линии при неправильном (рис. 4, а) и правильном (рис. 4, б) проектировании тракта.

а)

в)

Рис. 4. Импеданс LVDS-тракта:
a) неправильное проектирование LVDS-канала — импеданс резко изменяется;
b) правильное проектирование LVDS-канала — импеданс практически непрерывен

Следующим фактором, вносящим искажения в сигнал, является взаимовлияние как соседних LVDS-каналов, так и влияние на LVDS-канал соседних линий. Для уменьшения этого влияния требуется специальные меропри- ятия, например по трассировке платы, которые будут рассмотрены ниже.

Из оставшихся факторов отметим асимметрию выходных уровней на приемном конце и временной разброс фронтов на выходе передатчика.

Состав LVDS-канала

LVDS-канал состоит из передатчика, LVDS-приемника и соединительных линий — среды передачи, которая соединяет выход передатчика с входом приемника.

Достигаемые скоростные параметры LVDS-канала определяются, кроме параметров приемника и передатчика, еще и соответствием среды передачи идеальным параметрам стандарта. При полном соответствии всех параметров легко достигается определенная стандартом скорость 622 Мбит/с. Мало того, уже существуют данные реальных тестовых испытаний, на которых достигается максимально возможная скорость передачи, превышающая 1 Гбит/c. Такие параметры достигаются при максимальном приближении к требуемым по стандарту значениям параметров среды передачи.

Среда передачи LVDS-канала состоит из трех элементов — соединительных линий на печатной плате, разъемов, соединяющих печатную плату с кабелем, или печатные платы между собой, и кабеля, по которому передаются LVDS-сигналы. Возможны варианты отсутствия одного или нескольких из этих элементов (ситуация улучшается) или повторения нескольких (ситуация ухудшается), но в любом случае все составляющие среды передачи от выхода LVDS-передатчика до входа LVDS-приемника должны образовывать согласованную систему с вполне определенными параметрами.

Соответственно, требования к LVDS-каналу можно разбить на требования к электрической схеме, требования к разводке печатной платы, требования к разъему и требования к соединительному кабелю.

Разводка печатной платы

Элементом среды передачи, который практически нельзя исключить, является печатная плата. На печатной плате в любом случае устанавливаются как приемник, так и передатчик LVDS, терминирующие цепи, разъем или площадки для подсоединения кабеля. В конце концов, дорожки печатной платы и устанавливаемые на них дополнительные элементы образуют согласующий комплекс, которым разработчики пытаются устранить все остальные огрехи систем передачи.

Напомним, что печатная плата одновременно является и тем самым «узким местом», допущенные ошибки и просчеты в котором требуют для исправления больших как финансовых, так и временных затрат, причем исправление этих просчетов на месте подручными средствами, как следует из законов Мерфи, практически невозможно.

Рис. 5. Элементы LVDS-канала

Поэтому надо очень тщательно подходить к вопросу проектирования печатных плат, просчитывать все параметры, по возможности просчитывать и моделировать полученные цепи. Время на расчет, проектирование и моделирование топологии печатных плат, а также затраты на САПР, который все это качественно выполнит, позволит избежать массы проблем на этапе запуска устройства. В отечественных условиях немаловажен и подготовительный этап.

Исходя из собственного опыта проектирования, а также из опыта оказания консультационных услуг, можно дать следующую настойчивую рекомендацию: ПЕРЕД началом проектирования печатной платы крайне рекомен- довано заранее, до начала проектных работ, выбрать изготовителя печатной платы и выяснить допустимые проектные нормы (для проверки, могут ли изготовить то, что вы спроектируете), параметры используемого для изго- товления материала (требуется для расчета) и, что немаловажно, — наличие этого материала на предполагаемый момент заказа печатных плат. Рекомендуется подобрать несколько изготовителей, которые могут изготовить печатные платы с одинаковыми нормами из материала со сходными параметрами, дабы иметь резервные варианты на случай, например, отсутствия требуемого текстолита, ремонта или излишней загрузки линейки.

Вернемся к требованиям разводки печатных плат для LVDS-каналов. Начнем с общих требований.

Печатная плата должна быть как минимум четыре слоя: LVDS-сигналы, земля, питание, TTL-сигналы. Выделенные слои земли и питания — обычное требование к высокоскоростным дизайнам. Непрерывный слой земли требуется также для обеспечения определенного контролируемого импеданса для LVDS-линий.

Разделение сигналов логики CMOS/TTL и сигналов интерфейса LVDS снижает наводки на LVDS-линии. Идеальное решение — разнесение их по разным слоям, которые разделены слоями земли и питания.

Приемопередатчики LVDS должны располагаться как можно ближе к соединительным разъемам, что уменьшает влияние возможных несогласованностей линии на печатной плате, а также уменьшает наводки от остальных цепей. Такое расположение, совместно с уравниванием длины линий, также помогает снизить разброс фронтов.

Далее общие рекомендации по питанию: подводящие цепи по земле и питанию должны быть как можно шире и короче. Рекомендуется установка танталовых или электролитических конденсаторов емкостью 4,7–10 мкФ. Рабочее напряжение танталовых конденсаторов, что важно, не должно быть меньше 5-кратного напряжения питания, то есть не менее 25 В (рекомендовано 35 В) для 5 В питания.

На каждый LVDS-корпус должен быть установлен один или два (0,1 мкФ и 0,01 мкФ) параллельных многослойных керамических конденсатора (MLC). Для многоканальных приемопередатчиков или для схем формирования тактовой частоты (с PLL) рекомендуется устанавливать по конденсатору на каждый вывод питания. Рекомендуется устанавливать конденсаторы как можно ближе к выводу питания для уменьшения паразитных эффектов и улучшения частотной характеристики. Также рекомендуется использовать двойные переходные отверстия для уменьшения индуктивных эффектов.

Теперь перейдем к требованиям по разводке собственно сигнальных LVDS-линий. Сигнальная дифференциальная LVDS-пара должна быть разведена от передатчика к приемнику со строгим соблюдением определенных требований: во-первых, по всей длине линии должен быть выдержан согласованный импеданс 100 Ом. Во-вторых, длина линии должна быть минимальна, а длина проводников одинакова, для уменьшения разброса фронтов. Кроме того, линия должна содержать как можно меньше (в идеале вообще не иметь) переходных отверстий, поскольку каждое отверстие нарушает параметры линии. Крайне нежелательно использовать при разводке поворотов на 90°, которые существенно увеличивают электромагнитные помехи и перекрестные наводки. Старайтесь обойтись углами 45°.

Существуют три основных варианта разводки LVDS-линий: открытая линия (micrоtrip) — рис. 6, a и два варианта закрытой линии — горизонтальная (рис. 6, б) и вертикальная (рис. 6, в).

а), б)

в)

Рис. 6. Конфигурация согласованных линий

Открытая линия представляет собой две сигнальные полосы, размещенные над сплошным слоем земли. Такая линия позволяет провести трассу от приемника к передатчику или от передатчика к разъему без переходных отверстий, что существенно облегчает моделирование и исключает из требований к изготовлению печатных плат параметры переходных отверстий. Недостатком открытой конфигурации является то, что для ее разводки можно использовать только две внешние стороны печатной платы. Ее параметры рассчитываются по следующей формуле:

При трассировке согласованной линии не стоит забывать и об электромагнитной совместимости, перекрестных и прочих наводках. Рекомендуется соблюдение следующих соотношений SМинимизация расстояния между линиями в согласованной паре, кроме уменьшения EMI, служит и для уменьшения влияния общих наводок, а также максимальной согласованности параметров и условий работы каждой из дорожек.

В качестве примера уже рассчитанной открытой линии рассмотрим приведенный на рис. 7 пример геометрии согласованной линии, рекомендуемая TI-конфигурация для одного из своих LVDS-буферов.

Рис. 7. Пример геометрии согласованной линии

На приемном конце линии также требуется согласованное соединение. Причем терминирующие резисторы должны быть расположены как можно ближе к приемнику. Для скоростных применений это расстояние должно составлять не более 7 мм (максимум 12 мм). Для более низких скоростей допускается увеличение дистанции между приемником и согласующим резистором до 20–30 мм.

Следующим типом согласованной линии является закрытая линия (рис. 6 б). В этом случае сигнальная пара располагается внутри пакета платы между двумя слоями земли.

Такое решение позволяет использовать для разводки LVDS-сигналов несколько слоев, а также улучшает экранировку сигнальной пары. В данном случае требуется применение переходных отверстий. Параметры закрытой линии рассчитываются по следующей формуле:

При построении шинных соединительных решений может использоваться еще один тип — вертикальная закрытая линия. Такая разводка очень удобна при трассировке соединительных панелей. Импеданс вертикальной согласованной линии рассчитывается по формуле:

В следующей части статьи мы поговорим об остальных элементах LVDS-канала — разъемах и кабелях как общего применения, например, витая пара 5 категории, так и специализированных и рассмотрим конкретные примеры построения LVDS-каналов.

В заключение отметим, что удобство применения и высокие характеристики определяют активное применение LVDS в разработках. Для различных областей применения выпускается широкий ассортимент компонентов. Так, Texas Instruments выпускает и скоростные приемопередатчики для всевозможных применений — от 5-выводного одноканального SN65LVDS1DBV до многоканального SN65LV387. От скоростных NS65LVDS93/94, обеспечивающих пропускную способность до 1,82 Гбит/c до бюджетного набора MuxIt (SN65LVDS15x), позволяющего легко и просто «свернуть» параллельную шину в скоростной LVDS-канал и «развернуть» ее на приемном конце.

Дополнительную информацию по LVDS-каналам и подборку ссылок на отчеты и рекомендации по применению, а также сами LVDS-приемопередатчики можно найти на сервере www.texas.ru в разделе Интерфейсы/LVDS.

Окончание следует.

ti@scan.ru

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы