Low-Voltage-Differential- Signalgebung (LVDS)

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Low-Voltage-Differential-
Signalgebung (LVDS)
LVDS stellt schnelle interne Verbindungen mit geringer EMI
im Bereich der Consumer-Elektronik her
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Die differentielle Signalübertragung hat sich in den Backplanes der Kommunikations- und Computersysteme als
optimale Verbindungslösung herauskristallisiert. Daten lassen sich so schneller und sicherer übertragen als mit
unsymmetrischen Technologien. Das liegt an dem guten Störpegelabstand und der Immunität gegenüber den
Effekten langer Übertragungsleitungen und Lastfaktoren. LVDS bietet die genannten Vorteile im Zusammenhang
mit mehreren Spannungspegeln und Ansteuerungsmöglichkeiten für unterschiedliche Applikationen.
Weitere Pluspunkte sind der geringe Stromverbrauch und eine niedrige EMI. CHRIS FERLAND
D
a die Datenraten in DVD-RWs,
Druckern, Anzeigelementen und
anderer Elektronik die Grenzen
der unsymmetrischen Technologien
bereits erreicht haben, hält die LVDS
nunmehr auch Einzug in neue Applikationen
der Consumer-Elektronik. Sie eignet
sich besonders für Datenübertragungsraten
von 250 MBit/s bis 1 GBit/s. Neben der verbesserten
Datenrate realisiert die LVDS sehr
geringe EMI-Pegel – eine besonders wichtige
Eigenschaft im Hinblick auf den hochfrequenten
Inhalt heutiger Consumer-Elektronik.
Diskrete LVDS-Bauelemente bieten in
diesem Bereich noch weitere Vorteile: eine
kurze Time-to-Market aufgrund zahlreicher
Standardfunktionen, Optionen für besonders
kleine Gehäuse und ausgezeichneten
ESD-Schutz.
Zwei Signale, ein Vorteil
Im Gegensatz zur unsymmetrischen Technologie
mit nur einer Spannungsreferenz gegen
Masse, verwendet die differentielle Technik
zwei Signale, die zwischen zwei Spannungen
hin und her schalten. Signale mit hoher
Übertragungsgeschwindigkeit sind durch
A U T O R
CHRIS FERLAND
Marketing Engineer
Chris.Ferland@fairchildsemi.com
Fairchild Semiconductor
82 Running Hill Road
South Portland, ME 04106, USA
T +1/207/775-8257
F +1/207/775-8745
Störpegel und andere induktive oder kapazitive
Effekte auf der Übertragungsleitung
oder durch Lastfaktoren sehr anfällig für Bitfehler.
Differential-Signale basieren dagegen
auf zwei Signalen, die durch eng gekoppelte
Drähte oder Platinenleitungen übertragen
werden. Differential-Empfänger vergleichen
dann die beiden Signale, um standardisierte
Logikpegel herzustellen und Ungenauigkeiten
zu eliminieren. Dies lässt sich am besten
anhand der Gleichtakt-Störunterdrückung
erläutern: Störungen auf einem Signal können
sich am Empfänger mit mehrfachen
Spannungsspitzen bemerkbar machen, die
dann möglicherweise als Übergänge der Logikpegel
interpretiert werden. Weil Differential-Signale
in eng gekoppelten Leitungspaaren
geführt werden, erscheinen hier die
Störspitzen auf jedem einzelnen Signal. Da
der Empfänger aber nur die Differenz zwischen
den beiden Signalen misst, werden
Spannungsspitzen einfach ausgeblendet.
Einige unsymmetrische Technologien (z.B.
RS-232) kompensieren die besagten Effekte
durch Spannungshübe von 12 V oder sogar
mehr. Diese Technik ist für relativ niedrige
Übertragungsgeschwindigkeiten ausreichend.
Bei schnellen Übertragungen sind diese
großen Spannungshübe jedoch nicht mehr
zumutbar, da die Leistung und die extrem
schnellen Flankenraten für die Consumer-
Elektronik nicht in Frage kommen.
Ausgleichende EMI-Effekte
Dank der Gleichtakt-Störunterdrückung und
dem geringen Spannungshub von nur 350
mV ist LVDS eine zuverlässige Datenquelle
für Datenraten über 1 GBit/s. Auch hinsicht-
Abb.1: Funktion der Gleichtakt-Störunterdrückung
lich der EMI bietet LVDS signifikante Vorteile.
In der Elektronik geht der Trend mehr
und mehr zu Wireless-Technologien mit hohen
Frequenzen für die Datenübertragung.
Andererseits wird die Form tragbarer Geräte
stetig verbessert. Diese Trends führten in den
letzten zehn Jahren zwar zu erstaunlichen
Verbesserungen in der Consumer-Elektronik,
brachten aber bei schneller Datenübertragung
enorme Schwierigkeiten hinsichtlich
der EMI mit sich. Störstrahlungen von
jedem schnellen Signal sind eine Gefahr für
die Integrität anderer schneller oder kabelloser
Übertragungen im gleichen oder einem
nahe stehenden Gerät. Das gleiche gilt auch
umgekehrt, denn jedes schnelle Signal ist
empfindlich gegenüber den destruktiven Effekten
der EMI-Anfälligkeiten.
Die LVDS löst beide EMI-Probleme. Sie bietet
auch in störanfälliger Umgebung eine robuste
Signaltechnik und erscheint gegenüber
der benachbarten Elektronik „sauber“ und
„ruhig“.
Mit nur 350 mV und einer Übergangszeit
von bis zu 30 Prozent des Impulszyklus, zeigen
die Low-To-High- oder High-To-Low-
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Abb.2: Darstellung der Flankenraten und EMI-Aufhebung mit dem LVDS-
Augendiagramm
Abb.3:Verwendung eines LVDS-Repeaters in Verbindung mit einem ASIC
Übergänge eine relativ langsame Übergangsrate.
Damit zeigen sich auch keine scharfen
Impulsflanken, was die hochfrequenten Harmonischen
minimiert, die dem System als
EMI oder als Störpegel Probleme verursachen
könnten. Da die LVDS aus zwei gekoppelten
Signalen besteht, wird der Großteil
der EMI des einen Signals, durch die entgegengesetzten
EMI-Effekte des anderen Signals
ausgeblendet. Während eines Logikwechsels
fällt das eine Signal um 350 mV,
während das komplementäre Signal um
350 mV steigt. Aufgrund der EMI-Ausblendung
erscheinen für das System zwei Gleichspannungssignale
an der LVDS-Gleichtaktspannung,
in der Regel sind es etwa 1,2 V.
LVDS-Implementierung
Auch wenn die LVDS für die Consumer-
Elektronik noch relativ neu ist, sie wird
schon seit Jahren als schnelle Backplane und
Verbindungstechnologie in Kommunikations-
und Computersystemen verwendet.
Um diese Applikationen entsprechend zu unterstützen,
gibt es bereits zahlreiche diskrete
LVDS-Bauelemente, einschließlich der Treiber,
Empfänger, Repeater, Koppelfeld-Schalter,
Seriellumsetzer und De-Seriellumsetzer.
Mit einfachen Treibern und Empfängern
kann ein Design mit LVTTL-Verbindungen
ohne weiteres in Richtung LVDS verbessert
werden, um so höhere Datenraten zu erzielen
oder EMI-Probleme zu lösen. Fairchild
Semiconductor bietet für diese Fälle mehrere
1-, 2- und 4-bit-Treiber, Empfänger und
Treiber-Empfänger-Kombinationen an. Fairchilds
FIN1215 und FIN1216 sind beispielsweise
ein LVDS-SerDes-Paar, das 21
LVTTL-Signale mit bis zu 85 MBit/s auf drei
LVDS-Signale mit jeweils fast 600 MBit/s
umsetzen kann. Das ist besonders interessant
für Applikationen mit Platzproblemen,
wo also die Platinenfläche oder die Verbindungstechnik
zwischen zwei Endpunkten
minimiert werden muss.
Einige High-End-ASICs und -FPGAs verfügen
über integrierte LVDS-Treiber und
-Empfänger. Um die Signalqualität oder den
ESD-Schutz dieser E/As zu verbessern, lassen
sich für die Signalpufferung LVDS-Repeater
verwenden. Diese können sehr schwache
oder mit Störungen behaftete Signale wieder
herstellen und ein „sauberes“ LVDS-Signal
produzieren. Ein solches Vorgehen ist besonders
dann wichtig, wenn zwei Bauelemente
über größere Entfernungen kommunizieren
müssen. Der ESD-Schutz bei größeren Chips
wie ASICs und FPGAs reicht nur bis etwa
2 kV. Da die LVDS-E/As wegen der großen
Entfernungen oder langen Verbindungen
den ESD-Gefahren stärker ausgesetzt sind,
muss an diesen Anschlüssen ein besserer
Schutz geplant werden. Fairchilds LVDS-Repeater
bieten in diesem Fall einen ESD-
Schutz bis 7 kV.
Diskrete LVDS
Während die Grundprinzipien der LVDS
– Schnelligkeit, geringe Störpegel und EMI –
ideal für neue Applikationen in der Consumer-Elektronik
sind, gibt es doch Verbesserungen
bei diskreten LVDS, die auf spezielle
Applikationen hin ausgelegt sind. Herkömmliche
LVDS-Treiber und -Empfänger
sind aufgrund kleinerer Gehäuse und pinfreier
Anschlusstechnik gegenüber standardisierten
SOIC- und TSSOP-Gehäusen um
bis zu 80 Prozent geschrumpft. Diese enorme
Platzeinsparung bietet dem Designer die
Flexibilität, die diskreten LVDS-Bauelemente
nahe den Verbindungselementen zu positionieren.
LVDS-Versionen mit geringem Stromverbrauch
werden ebenfalls für ultraportable
Applikationen in Betracht gezogen. Die
Low-Power-Versionen basieren auf der gleichen
Differential-Technologie, bieten eine
Rückwärtskompatibilität zum Standard-
LVDS und begnügen sich mit geringeren
Versorgungsspannungen (für derzeitige
LVDS-Bauelemente sind es 3,3 und 5,0 V).
Sie bieten daher einen kleineren Spannungshub
und eine geringere Gleichtaktspannung.
Diese Bauelemente sind wesentlich kleiner
und verbrauchen weniger Leistung als die
Standard-LVDS.
Fazit
Die stetig steigenden Ansprüche der Consumer-Elektronik
zwingen den Designer, nach
neuen Technologien Ausschau zu halten. Die
heutige Neuorientierung in der Consumer-
Elektronik und bei ultraportablen Geräten
ist der Entwicklung von der unsymmetrischen
zur differentiellen Verbindungstechnologie
ähnlich, die vor etwa fünf bis zehn
Jahren in leistungsfähigen Kommunikations-
und Computersystemen ihren Weg
nahm. Zusätzlich zur Datenrate bieten die
neuen Applikationen auch Herausforderungen
hinsichtlich Gehäusegröße, Leistungsverbrauch
und EMI-Pegel. Die LVDS war in
Computer- und Kommunikationsanlagen
sehr erfolgreich und es scheint nunmehr,
dass all diese Vorteile auch in neuen Applikationen
der Consumer-Elektronik zum Tragen
kommen.
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