Standard LVDS - Serwis Elektroniki

Standard LVDS
Standard LVDS
Janusz Krzywicki
L
VDS to skrót angielskiej nazwy Low
Voltage Differential Signalling. Jest to
standard transmisji danych z wykorzystaniem
niskonapięciowego sygnału różnicowego (ok.
350mV) przesyłanego kablem symetrycznym.
Standard LVDS wykorzystywany jest do przesyłania
sygnałów wideo, grafiki 3-D, fotografii wysokiej rozdzielczości. Wykorzystywany jest wszędzie tam, gdzie
wymagana jest duża szybkość transmisji w zakresie od
setek do tysięcy Mb/s, niski pobór mocy, odporność na
zakłócenia, niski poziom emitowanych zakłóceń oraz
niski koszt. Standard LVDS najczęściej stosowany jest w
drukarkach, płaskich monitorach, ruterach, urządzeniach
przetwarzających cyfrowe sygnały audio / wideo.
1. Jak działa transmisja LVDS?
Na rysunku 1 przedstawiono schemat nadajnika i
odbiornika LVDS połączonych parą przewodów o impedancji 100 omów.
3. Standardy opisujące transmisję
LVDS
Nadajnik
ród³o pr¹dowe
3.5mA
-
+
350mV
100R
+
LVDS wykorzystuje parę przewodów. Jeżeli w przewodach pojawi się sygnał zakłócający, nie będzie on powodował zakłóceń sygnału użytkowego, ponieważ odbiornik
LVDS mierzy tylko różnicę napięć pomiędzy przewodami.
Sygnały różnicowe emitują mniej zakłóceń niż sygnały
przesyłane pojedynczym przewodem ze względu na to,
że pola magnetyczne od pary przewodów znoszą się. Ponadto nadajnik wykorzystujący źródło prądowe generuje
mniej sygnałów zakłócających, co dodatkowo zmniejsza
poziom zakłóceń emitowanych.
Ze względu na dużą odporność na zakłócenia system
LVDS może pracować z sygnałami na niewielkim poziomie. Dzięki temu możliwa jest redukcja poboru mocy wymaganej do przesyłania sygnałów i zwiększenie częstotliwości przesyłanych sygnałów. Zależność poboru mocy
od częstotliwości dla nadajnika LVDS jest prawie płaska w całym paśmie stosowanych częstotliwości. Przepięcia
powstające w układzie sterującym przy przełączaniu są
bardzo małe, prąd zasilania nie wzrasta przy wzroście
częstotliwości. Pobór mocy przez obciążenie wynosi:
3.5mA × 350mV = 1.2mW
Odbiornik
-
Rys.1. Schemat połączenia nadajnika i odbiornika
LVDS
Transmisja LVDS opisana została dwoma standardami:
● TIA/EIA (Telecommunications Industry Association/
Electronic Industries Association)
– ANSI/TIA/EIA-644 (LVDS) Standard
● IEEE (Institute for Electrical and Electronics Engineering)
– IEEE 1596.3
4. Standard ANSI/TIA/EIA-644
Nadajnik przedstawiony na schemacie zawiera źródło
prądowe o wydajności 3.5mA, które steruje parę przewodów symetrycznych o impedancji 100 omów.
Impedancja wejściowa odbiornika jest bardzo duża.
Dzięki temu prąd sterujący z nadajnika płynie po stronie
odbiornika głównie przez rezystor 100 omów, stanowiący
dopasowanie linii przesyłowej. Na rezystorze powstaje
napięcie 350mV. Jeżeli sygnałem sterującym nadajnik jest
sygnał cyfrowy, prąd płynący przez rezystor 100 omów
zmienia kierunek przy przełączaniu ze stanu wysokiego
na stan niski.
Standard ANSI/TIA/EIA definiuje parametry elektryczne transmisji LVDS – charakterystyki wyjściowe nadajnika
i wejściowe odbiornika. Standard ten nie zawiera specyfikacji dotyczącej protokołu transmisji oraz charakterystyki
kabla.
W tablicy 1 przedstawiono parametry specyfikowane
przez standard ANSI/TIA/EIA-644.
Standard ANSI/TIA/EIA zaleca maksymalną stosowaną częstotliwość sygnału 655Mbps i określa teoretyczną
maksymalną częstotliwość na poziomie 1.923Gbps.
Standard został zatwierdzony w listopadzie 1995r. Od
tego czasu został wielokrotnie uaktualniony.
2. Zalety transmisji LVDS
5. Standard IEEE 1596.3
Ze względu na różnicową metodę transmisji system
LVDS jest odporny na zakłócenia. Różnicowa transmisja
Standard IEEE 1696.3 jest częścią standardu IEEE
dotyczącego interfejsu SCI (Scalable Coherent Interface).
SERWIS ELEKTRONIKI 1
Standard LVDS
Tablica1. ParametryspecyfikowaneprzezstandardANSI/TIA/EIA-644
Parametr
Wartość maks.
Jednostka
247
454
mV
1.125
1.375
V
∆Vod- zmiana napięcia Vod
50
mV
∆Vos- zmiana napięciaVos
Isa,Isb- prąd zwarcia
50
mV
24
mA
1.5
30%tui*
ns
ns
Wartość min.
Vod- wyjściowe napięcie różnicowe
Vos- napięcie offsetu
tr/tf- czas narastania / opadania napięcia na wyjściu (>=200MBps)
tr/tf- czas narastania / opadania napięcia na wyjściu (<200MBps)
0.26
0.26
Iin- prąd wejściowy
VTH- napięcie przełączania
Vin- zakres napięć wejściowych
0
20
uA
+/- 100
mV
2.4
V
*tui- czastrwaniabitu
Interfejs SCI to interfejs, który łączy procesory w systemach wieloprocesorowych. Standard SCI-LVDS został
zdefiniowany jako część standardu SCI, oznaczony został
jako IEEE 1596.3 i zatwierdzony w marcu 1996r.
Standard ten określa poziomy sygnałów LVDS – parametry elektryczne oraz kodowanie pakietów wykorzystywane w transmisji SCI.
W żadnym ze standardów dotyczących transmisji
LVDS nie określono technologii, medium oraz napięć
zasilających dotyczących tej transmisji. LVDS może być
więc stosowany w wielu technologiach: CMOS, GaAs.
Może pracować w układach z zasilaniem 5V, 3.3V, 3V.
Sygnały mogą być transmitowane przez ścieżki na płycie
drukowanej lub przewody.
6. Porównanie standardów wykorzystujących transmisję sygnałów różnicowych
W tablicy 2 przedstawiono porównanie różnych standardów wykorzystujących transmisję sygnałów różnicowych.
Sygnały LVDS są dziesięciokrotnie mniejsze niż sygnały standardu RS-422 i o połowę mniejsze niż sygnały
PECL. Ważnym parametrem standardu LVDS jest to, że
transmisja nie zależy od napięcia zasilania. Dzięki temu
LVDS może być stosowany w systemach z zasilaniem
np. 3.3V lub 2.5V. Technologie RS-422 i PECL zależą
od napięcia zasilania i migracja transmisji z sytemu z
zasilaniem 5V do systemu o niższym napięciu zasilania
w tych technologiach jest trudna.
7. Dopasowanie medium transmisyjnego
Niezależnie od medium stosowanego do przesyłania
sygnałów LVDS (kable, ścieżki na płycie drukowanej),
musi ono być dopasowane do charakterystycznej impedancji różnicowej 100 omów. Dopasowanie umożliwia
przepływ prądu przez medium i stanowi dopasowanie
dla sygnałów dużej częstotliwości. Jeżeli medium nie jest
prawidłowo dopasowane, występują odbicia sygnałów
na końcu kabla lub ścieżki, a sygnały odbite interferują z
sygnałami użytecznymi. Właściwe dopasowanie medium
transmisyjnego redukuje emisję sygnałów zakłócających
i zapewnia optymalną jakość sygnału użytecznego. Aby
zapobiec odbiciom konieczne jest stosowanie rezystora,
który jest dopasowany do impedancji różnicowej kabla lub
ścieżek drukowanych. Najczęściej rezystor ten ma wartość 100 omów i jest umieszczony na wejściu odbiornika
sygnałów LVDS.
8. Maksymalna szybkość przełączania
Maksymalna prędkość transmisji w standardzie LVDS
zależy od właściwości nadajnika i odbiornika LVDS, pasma przenoszenia medium transmisji i wymaganej jakości
sygnału dla danego zastosowania. Stopień wyjściowy
nadajnika LVDS nie ogranicza transmisji – jest bardzo
szybki. Ograniczenia szybkości transmisji spowodowane
są:
Tablica2. Porównanie standardów transmisji sygnałów różnicowych
Parametr
RS-422
PECL
LVDS
od ±2Vdo±5V
±600-1000mV
±250-450mV
±200mV
<30Mbps
±200-300mV
>400Mbps
±100mV
>400Mbps
Prąd zasilania poczwórnego nadajnika
60mAmaks.
32-65mAmaks.
8mA
Prąd zasilania poczwórnego odbiornika
23mAmaks.
40mAmaks.
15mAmaks.
Opóźnienie propagacji nadajnika
Opóźnienie propagacji odbiornika
11nsmaks.
30ns maks.
4.5nsmaks.
7nsmaks.
1.7nsmaks.
2.7nsmaks.
Emisja zakłóceń
niska
średnia
niska
Stratymocy
niskie
średnie
bardzoniskie
Wyjściowe napięcie różnicowe
Napięcie przełączania odbiornika
Szybkość transmisji
SERWIS ELEKTRONIKI Nadajnik
9. Pobór mocy
Technologia LVDS charakteryzuje się małymi mocami
strat. Moc wydzielana na rezystorze dopasowującym
100 omów jest równa 1.2mW. Dla porównania w technologii transmisji RS-422 nadajnik wytwarza napięcie 3V
na rezystancji dopasowującej 100 omów, co powoduje
straty mocy na poziomie 90mW. Zatem moc pobierana
w technologii RS-422 jest 75 razy większa niż w technologii LVDS.
Technologia LVDS korzysta w układów CMOS, które
charakteryzują się niskim poborem mocy.
Prąd pobierany ze źródła zasilania przez nadajniki i
odbiorniki LVDS jest na poziomie 1/10 prądu pobieranego
przez nadajniki i odbiorniki PECL/ECL.
Oprócz niskich strat mocy na rezystorach dopasowujących, małego poboru prądu ze źródła zasilania zastosowanie technologii LVDS obniża pobór mocy poprzez
stosowanie źródła prądowego w nadajniku. Dzięki temu
charakterystyka poboru prądu nadajnika w funkcji częstotliwości pracy jest płaska w zakresie 10MHz-100MHz.
Dla porównania pobór prądu przez nadajniki TTL/CMOS
wzrasta wykładniczo ze wzrostem częstotliwości.
10. Konfiguracje nadajników i odbiorników w standardzie LVDS
Zwykle nadajniki i odbiorniki LVDS stosowane są w
konfiguracji punkt-punkt.
Na rys. 2 przedstawiono schemat podstawowej konfiguracji nadajnika i odbiornika w standardzie LVDS.
Nadajnik
100R
Odbiornik
Rys.2. Konfiguracja punkt-punkt
Nadajnik
100R
Możliwe są również inne konfiguracje pracy przedstawione na rysunkach 3 i 4.
Rys.4. Konfiguracja Multidrop
W konfiguracji dwukierunkowej jako medium wykorzystuje się dwa pojedyncze skręcone przewody. Dane
mogą przepływać w danym momencie tylko w jednym
kierunku. Konieczne jest zastosowanie dwóch rezystorów
dopasowujących, co powoduje redukcję sygnału, a co za
tym idzie zmniejszenie marginesu szumów. Konfiguracja
taka może być stosowana tylko w aplikacjach, gdzie poziom szumów jest niski i odległość pomiędzy nadajnikiem
i odbiornikiem niewielka (<10m).
Konfiguracja multidrop łączy kilka odbiorników z jednym nadajnikiem. Stosowana jest w układach dystrybucji
danych. Długość połączeń w tej konfiguracji powinna być
niewielka (mniejsza niż 12mm).
Konfiguracja punkt-punkt zapewnia najlepszą jakość
transmisji.
Zalety transmisji LVDS sprawiają, że jest ona stosowana przy transmisji danych z szybkością od 0 do
setek Mbps na odległościach do kilkudziesięciu metrów.
Standardy RS-232, RS-422 i RS-485 oferowały na takich
dystansach prędkości od 20kbps do 30Mbps.
11. Koszt transmisji LVDS
Czynniki zmniejszające koszty urządzeń do transmisji
LVDS:
● w transmisji LVDS stosowane są tanie układy CMOS,
● jako medium mogą być stosowane zwykłe kable
kategorii CAT3 i płyty drukowane wykonane na laminacie FR4,
● pobór mocy jest niewielki, co minimalizuje koszt zasilaczy i eliminuje stosowanie wentylatorów,
● niski poziom emitowanych zakłóceń i odporność na
zakłócenia,
● nadajniki LVDS nie są drogie i mogą być integrowane
w układach scalonych wielkiej skali integracji,
● układy transmisji LVDS mogą przesyłać sygnały
znacznie szybciej niż układy TTL, a zatem sygnały
cyfrowe TTL mogą być zamieniane na sygnał szeregowy lub multipleskowane i przesyłane pojedynczym
Odbiornik
Sygna³y TTL
Odbiornik
Odbiornik
Odbiornik
Odbiornik
● szybkością dostarczania danych TTL do stopnia
wyjściowego nadajnika, szybkością zamiany danych
TTL/CMOS na sygnał LVDS,
● pasmem przenoszenia medium transmisji; w przypadku gdy medium są przewody ich długość i typ mają
wpływ na pasmo przenoszenia.
100R
Standard LVDS
Nadajnik
Rys.3. Konfiguracja Half-Duplex dwukierunkowa
21, 28 lub 48
kana³ów
+ sygna³ zegarowy
Nadajnik
Odbiornik
Zamiana
sygn. TTL
na LVDS
Zamiana
LVDS na
sygn.
TTL
4, 5 lub 9 kana³ów
LVDS
Sygna³y TTL
21, 28 lub 48
kana³ów
+ sygna³ zegarowy
Rys.5. Transmisja sygnałów TTL kanałami LVDS
SERWIS ELEKTRONIKI Monitory LCD firmy LG
Tablica3. ZastosowaniatechnologiiLVDS
Komputery
Telekomunikacja
Urządzenia powszechnego użytku / komercyjne
Płaskie wyświetlacze
Przełączniki
Połączenie monitora
SzynaSCIprocesora
Multipleksery
Huby
Połączenia wideo
Urządzenia Set-top-box
Połączenia w drukarkach
Gdy,konsoledogier
Routery
Cyfrowe urządzenia kopiujące
Połączenia peryferyjne w urządzeniach
multimedialnych
12. Zastosowanie technologii LVDS
kanałem LVDS, dzięki czemu uzyskuje się obniżenie
kosztów płytek drukowanych, złączy i przewodów.
Na rysunku 5 przedstawiono system transmisji sygnałów TTL kanałami LVDS.
W tablicy 3 przedstawiono kilka przykładów zastosowania technologii LVDS. }
Monitory LCD firmy LG
Jakub Wojciechowski
Tablica1. Opis wyprowadzeń gniazda
wejściowegoS-SUB
W
artykule opisano chassis firmy LG
stosowane w serii analogowych
monitorów LCD. Seria ta obejmuje następujące modele:
-L1510SM, L1710SM, L1910SM,
-L1515SM, L1715SM,
-L1520BM, L1720BM, L1920BM,
-L1730SM, L1730SM, L1930SM.
Numer
wyprowadzenia
Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy monitora.
1. Tor sygnałowy monitora
Sygnały wejściowe RGB podawane są do wejścia
D-SUB. W tablicy 1 przedstawiono opis wyprowadzeń
gniazda D-SUB.
1
2
Sygnał R
Sygnał G
3
Sygnał B
4
ID2(GND)
5
ST-DET(GND)
6
7
GND (sygnał R)
GND (sygnał G)
8
GND (sygnał B)
9
5V
10
11
GND (masa układów cyfrowych)
ID0(GND)
12
SDA
13
H-Sync
14
V-Sync
15
Ekran
U201
MST9011A / MST9111A
Wejœcie RGB
D-SUB
R/G/B
Wzmacniacze
sygna³ów RGB
R/G/B
Przetworniki
A/D
R/G/B
24 bity
Uk³ad
skalowania
SCL SDA
U501
Mikrokontroler
Generator
sygna³ów
zegarowych
H/V Sync
Q502
Uk³ad Reset
SCL
GND
R/G/B
24 bity
Transmiter
LVDS
Dclk
H/V/DE
Sygna³ zegarowy
H/V Sync
Opis
AVDD 3.3V
DVDD 3.3V
LVDS
RGB
Panel LCD
DVDD 2.5V
DVDD 2.5V
Stabilizator
2.5V
Stabilizator
3.3V
5V
U502
EEPROM
AC
Przetwornica
12V
Uk³ad
podœwietlenia
Inwerter
Modu³ LIPS
Rys.1. Schemat blokowy monitora
SERWIS ELEKTRONIKI 6/2011
43