И. Фурман, Е. Звонарев

Скоростные интерфейсы LVDS и M-LVDS

Разрядность и быстродействие контроллеров, процессоров и изделий на их основе постоянно возрастают. Производительность всей системы сильно зависит от скорости обмена данными между устройствами. В последнее время для этого всё чаще используют высокоскоростные интерфейсы LVDS (Low-Voltage Differential Signaling или дифференциальный метод передачи с использованием сигналов низкого уровня) и M-LVDS (Multipoint-LVDS или многоточечный двунаправленный способ обмена информацией). Они позволяют организовать сверхскоростной обмен между микросхемами на печатной плате, а также эффективное взаимодействие между блоками и стойками. На передающей стороне параллельный код преобразуется в последовательный. На принимающей - выполняется обратное преобразование информации. Такой способ обмена позволяет существенно уменьшить количество соединительных проводников, сократить габариты разъемов при увеличении надежности и уменьшении стоимости всего комплекса.

На рис. 1 показаны соотношения скорости обмена и допустимого расстояния для разных интерфейсов. Обратите внимание, что масштаб по осям логарифмический! Из рис. 1 очень хорошо видно, что каждый тип интерфейса имеет свою нишу и предназначен для определенных областей применения. Основное назначение любого последовательного интерфейса - "сворачивание" параллельного кода в скоростной последовательный канал и "разворачивание" последовательного кода в параллельный на приемной стороне.

Рисунок 1. Соотношения между скоростью обмена и расстоянием для разных интерфейсов

При расстояниях до 30 м и скоростях передачи менее 50 Мбит/с обычно используют интерфейсы стандартов TIA/EIA-422 (RS-422, multidrop) и TIA/EIA-485 (RS-485, multipoint). Выходные дифференциальные сигналы высокого уров-ня, чувствительные приемники и работоспособность при уровнях помех до 7 В - их положительные качества для обеспечения эффективного обмена данными между удаленным оборудованием. Для скоростей передачи более 50 Мбит/с или в устройствах, где очень важно низкое потребление энергии, применяют интерфейсы LVDS или M-LVDS. Передача и прием со скоростью около 10 Гбит/с обеспечивается эмиттерно-связанной логикой (ECL - emitter-coupled logic) или положительной эмиттерно-связанной логикой (PECL - positive ECL). Однако такая высокая скорость обмена достигается за счет увеличения стоимости при сильном росте потребляемой мощности.

Немаловажным параметром является экономичность каждого типа интерфейса. На рис. 2 показана диаграмма потребления мощности некоторыми интерфейсами и типами логики. Стоит отметить, что LVDS и M-LVDS занимают лидирующие позиции по этому параметру. Вдобавок к этому, только что отмеченные интерфейсы работоспособны при самых низких питающих напряжениях среди показанных на рис. 2.

Рисунок 2. Сравнение потребляемой мощности для разных способов передачи и приема данных

Благодаря токовому выходу оконечного каскада (рис. 3), потребляемая мощность LVDS и M-LVDS практически не зависит от скорости передачи информации.

Рисунок 3. Структурная схема выходного каскада LVDS (токовый выход)

Эти положительные особенности особенно важны для автономных и портативных устройств. Сигналы низкого уровня и дифференциальная схема передачи существенно облегчают решение проблемы электромагнитной совместимости, что добавляет очки в копилку положительных качеств рассматриваемых интерфейсов LVDS и M-LVDS.

На рис. 4 показан обзор микросхем интерфейсов LVDS фирмы Texas Instruments. Некоторые из них позволяют получить скорость обмена до 2 Мбит/c. Но как для спортивного скоростного автомобиля требуется специальная трасса, так и для достижения сверхвысоких скоростей обмена данными необходим тщательный подход к проектированию всего тракта передачи и приема.

Рисунок 4. Интерфейсы LVDS фирмы Texas Instruments

На рис. 5 показаны возможные способы обмена между устройствами. Simplex (точка-точка) позволяет передавать информацию только в одну сторону и только одному приемнику. На приемной стороне тракта передачи обязательно наличие согласующего резистора (терминатора). Вариант Multidrop содержит в своем составе один передатчик и несколько приемников (каждый из них располагается рядом с основной линией передачи). И в этом случае необходимо наличие только одного резистора для устранения отраженных сигналов.

Рисунок 5. Варианты обмена информацией - от Simplex до Multipoint

Полудуплекс позволяет организовать двухсторонний обмен данными, но с разделением во времени, то есть в любой момент времени передача информации может происходить только в одном направлении (отсюда и приставка полу-). При полудуплексе точка-точка обмен происходит только между двумя устройствами. При многоточечном полудуплексе (Multipoint) двухсторонний обмен возможен между любыми устройствами, но опять же с условием временного разделения потоков информации. В этом случае терминальные резисторы должны быть установлены на обеих сторонах основного канала передачи и приема (рис. 5).

Интерфейсы LVDS (один передатчик - несколько приемников, стандарт TIA/EIA-644) не позволяют напрямую организовать двунаправленный многоточечный обмен, как это возможно с помощью интерфейсов RS-485 (стандарт TIA/EIA-485). Для создания многоточечного полудуплексного режима "Несколько передатчиков - несколько приемников на одной шине" фирмами Texas Instruments и National Semiconductor был создан многоточечный интерфейс M-LVDS (стандарт TIA/EIA-899-2001), с помощью которого возможен двухсторонний обмен данными (Half-Duplex Multipoint - многоточечный полудуплекс). M-LVDS - это высокоскоростной экономичный многоточечный RS-485, позволяющий создать сеть, включающую в себя до 32 узлов со скоростью обмена до 500 Мбит/c.

На рис. 5 представлены микросхемы M-LVDS и LVDM интерфейсов Texas Instruments.

Интерфейсные микросхемы LVDM имеют в два раза более мощный токовый выход. Это необходимо при работе на линию с двумя согласующими резисторами (полудуплексный обмен). Эти приборы были специально разработаны для создания скоростной шинной архитектуры M-LVDS. У фирмы National Semiconductor подобные микросхемы называются BusLVDS или BLVDS. Для LVDM и BusLVDS выходной ток лежит в пределах от 8 до 10 мА. Для M-LVDS - около 11 мА.

В номенклатуре Texas Instruments есть и LVDT-интерфейсы. Наличие буквы "Т" говорит о том, что внутри микросхемы имеется встроенный согласующий резистор (терминатор) сопротивлением около 100 Ом. Следует учесть, что LVDT-микросхемы можно устанавливать только на оконечных (основных) узлах основного тракта, так как на промежуточных узлах согласующие резисторы не нужны.

В табл. 1 приведены основные типы микросхем для шинной архитектуры M-LVDS.

Таблица 1. Интерфейсы M-LVDS / LVDM фирмы Texas Instruments

*) - количество передатчиков.

**) - количество приемников.

В табл. 2 показано соответствие между некоторыми микросхемами интерфейсов LVDS и M-LVDS ведущих мировых производителей.

Таблица 2. Соответствие интерфейсных микросхем LVDS и M-LVDS ведущих мировых производителей

Fairchild - Fairchild Semiconductor; NSC - National Semiconductor; Maxim - Maxim

Integrated Products; Philips - Philips Semiconductors; Pericom - Pericom Semiconductor.

*) F - функционально близкий, но не полный эквивалент; P - близкое соответствие, но не pin-for-pin (отличаются расположением выводов); Q - близкая функциональность и совпадение по выводам, но не полный эквивалент; S - полное совпадение по функциональности и по выводам.

Каналы LVDS и M-LVDS имеют в своей основе недорогие материалы (легко создаются на печатной плате или с помощью широко распространенного кабеля CAT5). Рассмотренные скоростные интерфейсы выпускаются многими известными компаниями, что значительно расширяет выбор при построении скоростной сети различного уровня сложности.

Рисунок 6. Интерфейсы M-LVDS и LVDM фирмы Texas Instruments

Авторы будут чрезвычайно признательны за замечания и пожелания по материалам статьи, которые можно направлять по электронному адресу ti@compel.ru.

При необходимости Вы можете обратиться в центр информационно-технической поддержки (EPIC) фирмы Texas Instruments.

За дополнительной информацией обращайтесь к сотрудникам фирмы КОМПЭЛ по адресам:

Москва:

тел.: (095) 995-0901; факс: 995-0902; e-mail: compel@compel.ru.

Санкт-Петербург:

тел.: (812) 327-9404; факс: 118-4892; e-mail: spb@compel.ru.

Информация:

1. www.ti.com.
2. www.national.com.
3. www.semiconductors.philips.com.
4. www.maxim-ic.com.