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Low Voltage Differential Signaling
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LVDS ist eine Abkürzung für Low Voltage Differential Signaling. Es handelt sich um einen Schnittstellen-Standard für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. LVDS ist standardisiert nach ANSI/TIA/EIA-644-1995. Er beschreibt die physikalische Schicht, nicht die darauf aufsetzenden Protokolle. Wichtige Merkmale sind:
- differenzielle Spannungspegel
- relativ geringe Spannungspegel (low voltage)
- die Signale werden mit einer Konstantstromquelle erzeugt
Inhaltsverzeichnis |
Spannungspegel
Low voltage (niedrige Spannung) bedeutet, dass anstatt der üblichen hohen Spannungen für digitale Systeme von 5 V oder 3,3 V eine niedrigere Spannung verwendet wird. Dies hat mehrere Vorteile. Bei klassischen Schnittstellen wie EIA-422 ist eine relativ große Leistung notwendig, um die Ladung des Kabels zu ändern. Die dabei auftretenden Spannungsänderungen (hohes dU/dt) und hochfrequenten Lade- und Entladeströme (hohes di/dt) gehen einher mit hochfrequenten elektrischen (E-Feld) und magnetischen Feldern (H-Feld), welche starke elektromagnetische Störungen darstellen. Die hochfrequenten Umladungsströme sorgen zusätzlich auf den Stromversorgungsleitungen für Probleme. Die immer weitere Strukturverkleinerung moderner Halbleiter bringt zudem eine Herabsetzung der Versorgungsspannungen mit sich. Bei hohen Datenraten kommt man daher an einer Verkleinerung des Signalpegels nicht vorbei. LVDS arbeitet mit einem Spannungshub von 0,3 Volt. Differenzielle Signalübertragung bedeutet, dass zwei Leitungen verwendet werden und die Differenz der Spannungen für den Logikzustand ausschlaggebend ist. Bei LVDS beträgt der Unterschied 0,3 Volt, während die absolute Spannung bei ca. 1,2 Volt liegt. Ein Logikwechsel wird durch Umpolen der Leitungen erzeugt. Dies wird als symmetrische Signalübertragung bezeichnet. Die Signale sind immer entgegengesetzt.
Funktionsprinzip
Auf der Treiberseite sorgt eine schaltbare Stromquelle für einen konstanten Strom von 3,5 mA. Auf Empfängerseite fließt der Strom durch den parallelen Abschlusswiderstand von 100 Ohm. Dieser entspricht auch der Leitungsimpedanz und verhindert als Abschlusswiderstand Reflexionen auf der Leitung. Der Strom kann umgeschaltet werden, sodass die Leitungen bei einem Logikwechsel umgepolt werden. Der Strom fließt dann umgekehrt durch das 2-Draht-System und erzeugt am Empfänger einen Spannungswechsel von +350 mV zu −350 mV.
Layout (Leiterbahnführung)
Die niedrigen Spannungspegel erfordern ein sorgfältiges Layout. Hin- und Rückleiter müssen hier „bewusst“ geroutet werden, während bei einer „single-ended“-Übertragungsstrecke die Masse die Rolle des Rückleiters übernimmt und beim Routen oft nicht ausreichend berücksichtigt wird. Wichtig ist, dass die zwei Pfade möglichst eng beieinander liegen. Für die Störempfindlichkeit ist dies wichtig, damit Störungen die Leitungen in gleicher Weise beeinflussen und damit zwar die absoluten Pegel, aber nicht die Spannungsdifferenz verändern. Die Empfänger tolerieren absolute Spannungsänderungen im Bereich von 1 Volt. Diese Art von Störung wird als Gleichtaktstörung bezeichnet. Das Wirkprinzip lässt sich auch umkehren. Die eng liegenden Pfade sorgen andersherum für eine geringe Störaussendung. Es ist wichtig, dass die Leitungsimpedanz über die gesamte Übertragungsstrecke, also inklusive der Steckverbinder, gleich bleibt. Eine Änderung der Impedanz, z. B. durch ein nicht angepasstes – also in der Impedanz abweichendes – Kabel kann Reflexionen auf der Leitung auslösen. Bei Übertragungsstrecken im GBit/s-Bereich sind Laufzeitunterschiede zwischen den Pfaden und eventuell auch zu anderen LVDS-Kanälen zu vermeiden. Es ist also auf exakt gleiche Leiterlängen zu achten. Dies äußert sich in mäandrierenden Leiterzügen. LVDS wird z. B. für Ein- und Ausgangskanäle in FPGAs integriert. Hier geben Hersteller wie Xilinx die Leitungslängen innerhalb der Gehäuse als so genannte Flight-Time an. Die Bezeichnung suggeriert zwar eine Zeitangabe, es handelt sich aber um die Leitungslänge in mm.
Datenraten
Die maximale Datenrate einer LVDS-Schnittstelle hängt von der Kabelqualität ab. Mit Cat-5-Kabel UTP ist typischerweise eine Leitungslänge von etwa 2 m bei einer Datenrate von 200 MBit/s möglich. Nach dem derzeitigen Stand der Technik liegt die Grenze bei mehreren GBit/s.
Weblinks
- Tutorial zu LVDS (englisch)
- Einführung zu LVDS (englisch)
