Low-Voltage-Differential- Signalgebung (LVDS)

E&E PRODUCTS & SOLUTIONS LOGIK-ICs & SPEICHER
B.02
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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