Окончание. Начало в No 2

Интерфейсные микросхемы

компании STMicroelectronics и особенности их применения

LVDS (Low Voltage Differential Signalling) — это специфичная разработка для высокоскоростной передачи на коротких расстояниях с синфазными сигналами 1 В и дифференциальной передачей данных с малыми сигнальными уровнями, преобразованных по стандарту ANSI TIA/EIA 644.

В последнее время у специалистов проявляется все больший интерес к данному стандарту, так как он позволяет обеспечивать передачу широкополосных сигналов, например, видеоинформации в режиме реального времени. Но вместе с тем возникает и много вопросов по его практической реализации.

Публикации по данному интерфейсу показывают, что его можно реализовать с помощью большинства известных технологий, например, на полосковых линиях, с использованием коаксиального кабеля или оптоволокна. Все тонкости сводятся к вопросам линейного согласования и согласования со стандартной логикой на приемном конце.

Компания ST производит несколько типов интерфейсных схем для данного стандарта, общие данные о которых приведены в таблице 7.

Таблица 7. LVDS

Последними разработками компании в этой области являются высокоскоростные интерфейсные схемы STLVDS31, STLVDS32 и STLVDS104.

STLVDS31 и STLVDS32 содержат по четыре дифференциальных линейных передатчика и приемника для реализации стандарта LVDS. Они преобразуют 5-вольтовые логические уровни напряжений TTL (LVTTL) в дифференциальный стандарт (типа TIA/EIA-644) при питании схем от источника 3,3 В с обеспечением скорости передачи до 400 Мбит/с.

Компания ST рекомендует использовать данные схемы для принтеров, факсов, базовых станций и местных линий беспроводной связи. Эти схемы полностью совместимы с аналогичными схемами DS90LV031A/032A, AM26LS31/2, SN65LVDS31/2 и близки по параметрам к MAX9124/26. Схема их применения показана на рис. 9.

Основные характеристики данных схем [6, 7]:

• Порог по входному дифференциальному сигналу составляет 100 мВ (макс. для STLVDS32).
• Типовое время задержки сигнала составляет 1,7 нс для STLVDS31 и 2,5 нс для STLVDS32.
• Рассеиваемая мощность 25 мВт для STLVDS31 и 60 мВт для STLVDS32 на один передатчик или приемник на частоте 200 МГц.
• Выход передатчика переходит в состояние высокого импеданса при отключении линии или питания. Открытые входы приемников полностью защищены (STLVDS32).
• Типовое выходное дифференциальное напряжение сигнала 350 мВ при нагрузке 100 Ом.

STLVDS104 — четырехпортовая микросхема LVDS с четырехпортовой «TTL-схемой» LVDS-повторителей для стандарта ANSI EIA/TIA-644. Состоит из дифференциального линейного приемника с входом LVTTL, связанного с четырьмя дифференциальными линейными передатчиками, которые обеспечивают электрические характеристики LVDS для передачи данных «точка — точка» по согласованной линии с полным сопротивлением приблизительно 100 Ом. В качестве линии передачи могут использоваться полосковые линии на печатной плате, объединительная панель или кабель. Наличие передатчиков, интегрированных на одной подложке с приемником, наряду с низким коэффициентом асимметричности импульсных сигналов, обеспечивает чрезвычайно точную юстировку сигналов синхронизации. Это особенно удобно в распределении или расширении сигналов тактовой синхронизации, или потока данных, передаваемых последовательно.

Специально для распределительных задач компанией ST разработана программируемая схема STLVD111, содержащая 10 дифференциальных линейных передатчиков. Функциональное устройство схемы STLVDS104 показано на рис. 10 [8].

Данная микросхема электрически совместима с выходами внешних сетевых устройств LVDS, PECL, LVPECL, LVTTL, LVCOMOS, GTL, BTL, CTT, SSTL или HSTL и обеспечивает скорость передачи данных до 630 Мбит/с. Входные уровни дифференциального приемника 100 мВ. Питание от 3,3 В. Типовое напряжение выходного дифференциального сигнала 350 мВ при нагрузке 100 Ом. Время задержки сигнала составляет до 3,1 нс. Имеется защита от электростатики на 7 кВ.

Как отмечалось выше, основные трудности при применении стандарта LVDS состоят в построении согласованной дифференциальной линии и сопряжения ее с используемой логикой.

LVDS-сигналы — дифференциальные сигналы с размахом от 250 до 400 мВ, смещенные относительно нуля DC на 1,2 В. Требуются определенные меры для их сопряжения с дифференциальными специализированными микросхемами, выполненными по КМОП- и БиКМОП-технологии с питанием 3,3 В или стандартной логикой, питающейся от 5 В.

LVDS, LVPECL, PECL и ECL — это все дифференциальные технологии, но с различными колебаниями и смещениями (рис. 11).

Для обеспечения высокой скорости передачи с использованием технологии LVDS к печатной плате предъявляются определенные требования:

• входные линии должны быть разнесены от линий выхода или по направлению, или по расстоянию и от линий с сигналами высокой амплитуды;
• все линии должны быть как можно короче;
• согласующие резисторы следует располагать как можно ближе к выходным контактам;
• рекомендуется поверхностный монтаж.

Для LVDS всегда требуется нагрузка 100 Ом между дифференциальными выходами, потому что они работают подобно источнику тока 3,2 мА с внутренним сопротивлением 100 Ом. Такая же нагрузка включается на конце дифференциальной линии с полным сопротивлением 50 Ом. LVDS-технология не зависит от применяемого источника питания.

Это позволяет осуществлять простые схемные решения для понижения питающих напряжений типа 3,3 В или даже 2,5 В, с сохранением всех преимуществ LVDS. Схема согласования стандартной дифференциальной линии LVDS показана на рис. 12.

ECL — первое дифференциальное высокоскоростное логическое семейство и на сегодня остается самым быстрым семейством цифровой логики. Однако существенным недостатком этой технологии является используемое обычно отрицательное напряжение источника питания. ECL-выходы — это открытые эммитерные выходы, для которых требуется отрицательное напряжение питания, большее, чем напряжение нижнего логического уровня.

Конфигурация линии передачи LVDS с использованием микросхем с логикой ECL показана на рис. 13.

PECL в противоположность технологии ECL требует положительное напряжение источника питания. Технология PECL работает с питанием 5 В ± 5%, в то время как для низковольтовых приложений LVPECL нужен источник питания 3,3 В. Схема сопряжения линии передачи в данном случае имеет вид, изображенный на рис. 14.

Для расчетов согласующих цепей необходимо знать соответствующие параметры микросхем, отвечающих стандарту интерфейса LVDS. Характеристики передатчиков LVDS для режима постоянного тока приведены в таблице 8, а характеристики приемников в таблице 9. Все данные соответствуют работе на согласованную нагрузку 100 Ом. Сравнение электрических характеристик различных серий дифференциальных логик представлено в таблице 10.

Таблица 8

Таблица 9

Таблица 10

При сопряжении LVPECL с LVDS используют формулу Тевенина при постоянном входном уровне для LDVS. В этом случае размах выходного дифференциального напряжения LVPECL определяется только схемотехникой входа LVDS. Схемное решение на рис. 15 нуждается в дополнительном питании 3,3 В, согласующее сопротивление для линии передачи Z может быть рассчитано по формуле Тевенина.

• Характеристика линейного импеданса: Z = R1 || R2 + R3.
• Условие для постоянного тока в точке A – VCC –2 В.
• Уровни постоянных токов на входе B LVDS зафиксированы в пределах входного диапазона синфазного сигнала LVDS:

  Точка «А»: (R1)/(R1+R2+R3) = (2V)/(Vcc)

  Точка «B»: (R3)/(R1+R2+R3) = (VIL)/(Vcc)

Размах входных дифференциальных напряжений LVDS уменьшается в зависимости от R2 и R3:

Vswing в точке «B» равно (R3)/(R2+R3) *

Vswing в точке «А» (Vih < 2,0 В и Vil > 0 В).

Прямое сопряжение LVDS с LVPECL возможно из-за широкого диапазона синфазного сигнала линейного приемника LVPECL. Достаточно обрабатывать только сигналы LVDS. Дифференциальный диапазон входного напряжения линейных приемников LVPECL достаточен для обработки сигналов. Используется типовое схемное решение для LVDS (рис. 16).

Сопряжение PECL с LVDS осуществляется аналогично LVPECL с расчетом согласующих сопротивлений по формуле Тевенина для Vcc = 5 В. Согласующие резисторы размещаются на входе LVDS (рис. 15).

Прямое преобразование между LVDS и сигналами PECL/LVPECL невозможно, потому что выходной синфазный сигнал LVDS не совместим с входными уровнями дифференциального напряжения PECL. Поэтому используют дополнительные устройства, например, MC100 (LV) EL17, которые осуществляют преобразование сигналов (рис. 17).

Сопряжение ECL с LVDS. Для выхода ECC требуется соединение по постоянному току с VЕЕ. Понижающие резисторы тоже связаны с VЕЕ. Завершением линии электропередачи Z (R1 || R2) является пара согласующих резисторов. Например, R1 = 270 Ом и R2 = 75 Ом, подключенные параллельно к линии 50 Ом в статическом режиме генерируют уровни постоянного тока напряжением 1,2 В на входе LVDS (рис.18). При размещении на плате оба параллельных согласующих резистора должны быть насколько возможно ближе к развязывающим емкостям.

Схема сопряжения LVDS с ECL показана на рис. 19. Здесь напряжение постоянного тока может быть получено с помощью делительного резистора в зависимости от значения Vсс.

При размещении на плате согласующие резисторы и емкости должны быть расположены как можно ближе к входу ECL.

Если несколько схем ECL используют отрицательное опорное напряжение VBB (VBB~VCC–1,3 В), то оно может быть применено для дифференциальной емкостной связи (рис. 20). Сопротивление 100 кОм обеспечивает устойчивые высокие состояния выхода при нулевых сигнальных состояниях.

Некоторые интерфейсные схемы LVDS работают с положительным опорным напряжением VOS, например STLVD111. Это можно использовать для емкостной связи (рис. 21).

При очень коротких линиях передачи необходимо применять параллельное завершение, располагаемое как можно ближе к конденсаторам связи.

USB — интерфейс, который разработан специально для подключения до 127 устройств к одному порту. USB обеспечивает питание для периферийных устройств с малым потреблением, таких, как клавиатура, мышь, джойстик и т. п. Характеризуется достаточно высокой скоростью обмена — 12 Mбит/с при максимальной длине кабеля до 5 м. Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена. Отсутствует необходимость в установке пользователем дополнительных элементов, таких, как согласующие схемы для SCSI. Напряжение питания для периферийных устройств — 5 В. Максимальный ток потребления на одно устройство — 500 мA.

В настоящее время компания ST разрабатывает целый ряд микросхем для данного стандарта интерфейса. Готовятся к производству интерфейсные микросхемы ST2041-44 (с внутренним ограничением тока и мощности), ST2051-54 (распределительные ключи) и ST2550/1/2 — универсальный последовательный приемопередатчик шины.

IrDA — Инфракрасный стандарт идентификации данных для инфракрасных каналов связи — достаточно простой и удобный для всех видов устройств. Несмотря на его среднюю скорость передачи (115 кбит/с) и ограниченную дальность (от 1 до 2 м), интерфейс IrDA быстро распространился на рынке из-за простоты его протокола и недорогих аппаратных средств.

SCSI — (Small computer System Interface). Имеются два основных варианта реализации для интерфейса малых компьютерных систем — несимметричный и дифференциальный. В несимметричном варианте максимальная длина линии ограничена 6 метрами и скоростью передачи данных 5 млн передач в секунду (Mxfres/s), хотя тщательное проектирование системы может обеспечить максимальную скорость передачи до 10 Mxfres/s. В дифференциальном варианте максимальная длина линии 25 метров при скорости передачи данных до 20 Mxfers/s.

SCSI-2 и SCSI-3 — стандарты высокоскоростного параллельного интерфейса, разработанные ANSI для подключения к компьютеру периферийных устройств, других компьютеров или ЛВС. Рекомендуется использование активных согласующих устройств на каждом конце кабельного сегмента в SCSI-системе, включающей несимметричные драйверы и приемники. Для обеспечения такого согласования компания ST предлагает микросхему ST21S07A, которая представляет собой согласующее устройство, полностью соответствующее стандарту SCSI. Применение подобных устройств дает возможность проектировщику получать выгоды от активного согласования: больший иммунитет к падениям напряжения в линии TERMPWR, повышенную помехоустойчивость для сигнала высокого уровня, встроенную развязку TERMPWR и очень низкий коэффициент тока покоя.

Микросхема ST21S07A состоит из регулятора и девяти прецизионных переключаемых резисторов 110 Ом в монолитном корпусе SO-16 или TSSOP20. ST21S07A может быть электрически изолирована от шины SCSI без физического удаления от SCSI-устройства (рис. 22).

Рекомендуется для использования в периферийном оборудовании персональных компьютеров (жесткий диск, CDR-W) и переносных компьютерах. Данная схема аналогична схемам DS2107, DS2107A и DS21S07. Она обеспечивает активное согласование для девяти линий с отрицательными сигналами стандарта SCSI. Имеется встроенная тепловая защита.

В заключение необходимо отметить, что кроме рассмотренных стандартов интерфейсов для систем передачи данных существуют и другие, например, CAN. В настоящее время они чаще используются наряду с другими (шинными), в виде встраиваемых схем для систем управления на одном кристалле, например, для микроконтроллеров и процессоров.

Кроме того, развивается направление специализированных интерфейсных схем, например, для смарт-карт. Некоторые данные о таких интерфейсных схемах компании ST приведены в таблице 11.

Таблица 11. Интерфейсные схемы ST специального назначения

* В разработке

Дополнительную информацию по характеристикам и вопросам применения интерфейсных схем компании ST можно получить в Технико-консультационном центре STMicroelectronics: info@stmicro.ru.

Литература

1. A. Randazzo. ST485: a RS-485 based interface with lower data bit errors. AN1348. STMicroelectronics. 2001.
2. G. Noviello. Interfacing between LVDS and high speed differential logic families. AN1318. STMicroelectronics. 2001.
3. ST3232. Data sheets. STMicroelectronics. 2002.
4. ST3243. Data sheets. STMicroelectronics. 2002.
5. ST485. Data sheets. STMicroelectronics. 2002.
6. STLVDS31/STLVDS3487. Data sheets. STMicroelectronics. 2002.
7. STLVDS32. Data sheets. STMicroelectronics. 2002.
8. STLVDS104. Data sheets. STMicroelectronics. 2002.
9. «Обрежьте жирок» с RS-485 // Компоненты и технологии. 2001. No 4.
10. Гончаров Ю. Интерфейс LVDS и его применение // Компоненты и технологии. 2001. No 3.
11. ST21S07A. Data sheets. STMicroelectronics. 2001.
12. В. Севбо, М. Титов. Проблемы выбора интерфейсов // Компоненты и технологии. 2000. No 10.

Анатолий Юдин, к.т.н.

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