Введение

Проблема передачи данных из одной точки в другую существовала всегда. С развитием электроники она только расширилась и переросла в проблему передачи требуемого объема данных на требуемое расстояние с требуемой скоростью. Мощность устройств растет, скорость обмена и разрядность растут. Расстояние для скоростной шины уже давно является достаточно серьезной проблемой.

По мере роста нашей зависимости от услуг цифровой техники увеличивается и объем обмена информацией, а требования к расширению полосы пропускания постоянно обгоняют выделяемые для связи диапазоны. Характеристики традиционных шинных иерархических структур совместного пользования и средств подключения, предложенных еще в 70-е годы прошлого столетия для быстродействующих ПК и встроенных систем связи, достигли предельных возможностей. И это несмотря на постоянное совершенствование полупроводниковых приборов. Следовательно, проблема не только в характеристиках компонентов, а и в ограничениях пропускной способности систем. Многие ведущие компании в стремлении решить эту проблему расширяют полосу пропускания за счет перехода к многоточечному формату и оптимизируют пропускную способность узлов сети. Но это не единственный путь решения проблемы. Появились и постоянно совершенствуются альтернативные решения, различие между которыми зачастую стираются.

К таким решениям и относится технология LVDS, предложенная компанией National Semiconductor еще в 1994 году. Требования к ширине полосы пропускания экспоненциально росли, а системные разработчики искали способы снизить потери мощности. Обычным стандартам, таким как RS-422 и RS-485, не хватало скорости, в то время как ECL (логические схемы с эмиттерными связями) и CML (логические схемы с переключателями тока) обладали достаточной скоростью обмена, но потребляли слишком много электроэнергии. Технология LVDS помогла решить эту проблему без каких-либо компромиссов.

1 Стандарт передачи дифференциальных сигналов низкого напряжения

В 1994 году компания National Semiconductor впервые представила технологию передачи дифференциальных сигналов низкого напряжения (LVDS) в качестве стандартного интерфейса.

LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений (до 350 мВ) по двум линиям печатной платы или сбалансированного кабеля (рисунок 1). Основные компоненты LVDS интерфейса – источник тока (драйвер шины) номиналом 3,5 мА, нагруженный на линию передачи дифференциального сигнала сопротивлением 100 Ом, и приемник.

Рисунок 1 – Упрощенная схема драйвера и приемника LVDS

Поскольку входной импеданс приемника большой, для предотвращения отражений параллельно его входу включается резистор-терминатор номиналом 100 Ом, падение напряжения на котором при протекании тока линии составляет 350 мВ. В сравнении с обычными однопроводными системами дифференциальный метод, благодаря ослаблению синфазного сигнала, обеспечивает лучшую помехоустойчивость и, соответственно, работу при меньших значениях напряжения, меньшую потребляемую мощность, меньшую чувствительность к электромагнитным помехам и большую скорость передачи. К техническим ограничениям этой технологии относятся время установления сигнала передатчика, среда распространения сигнала и качество сигнала, которые зависят от системы, в которой эта технология применяется.

Для изготовления LVDS устройств наиболее приемлема, по мнению разработчиков компании Texas Instruments, КМОП технология. Это обусловлено способностью npn-транзисторов шунтировать большие выбросы тока при воздействии электростатического разряда напряжением 12 – 15 кВ (что важно для компонентов проводных систем связи), а также высокой скоростью передачи данных, малой задержкой распространения, возможностью регулировать синфазные помехи выходного сигнала. При этом сохраняются присущие КМОП микросхемам достоинства, в первую очередь малая потребляемая мощность.

Современная LVDS технология отражена в двух стандартах Ассоциации производителей телекоммуникационной промышленности и Альянса отраслей электронной промышленности (Telecommunications Industry Association & Electronic Industries Alliance) и Института инженеров радиоэлектроники и электротехники (Institute of Electrical and Electronic Engineers):

• ANSI/TIA/EIA-644-A;

• Ieee 1596.3.

Общий мультисистеммный LVDS стандарт ANSI/TIA/EIA-644 разработан комитетом TIA Data Transmission Interface TR30.2 в 1995г. Данный стандарт определяет выходные характеристики передатчиков и входные характеристики приемников, т.е. определяет только электрические характеристики (таблица 1). Он не ограничивает функциональные спецификации, протоколы, характеристики кабелей, соединений, т.е. он независим от конкретных применений. Этот стандарт требует поддержки другими стандартами, специфицирующими законченный интерфейс (кабели, соединители, протоколы и т.д.). Это позволяет успешно адаптировать данный стандарт для различных применений.

Стандарт ANSI/TIA/EIA рекомендует максимальную производительность в 655 Мбит/с, и оговаривает теоретический максимум в 1923 Мбит/с ограниченный потерями в среде распространения. Это позволяет по стандарту специфицировать требуемую максимальную производительность, зависящую от качества сигнала, длины и типа среды распространения. Стандарт так же оговаривает минимальные требования к линии связи, безопасные условия работы приемника в случаях отказов аппаратуры и другие конфигурационные ограничения, такие как одновременная работа множества приёмников. Стандарт ANSI/TIA/EIA-644 был утверждён в Ноябре 1995 г. National Semiconductor является разработчиком этого стандарта и председательствует в подкомитете ответственном за электрические TIA интерфейсные стандарты. Настоящее издание стандарта 644 версии пересмотрено и дополнено информацией о работе на множество приёмников. Пересмотренный стандарт известный как TIA-644-A утвержден в 2001 г.

Таблица 1 – Основные электрические характеристики LVDS

Параметр	Наименование	Мин.	Макс.	Ед. изм.
UOD	Дифф. вых. напряжение	247	454	мВ
UOS	Напряжение разбаланса	1,125	1,375	В
ΔUOD	Изменение UOD		±50	мВ
ΔUOS	Изменение UOS		±50	мВ
ISA, ISB	Ток короткого замыкания		±24	мА
IIN	Входной ток приемника		±20	мкА
tr/f	Время нарастания/спада сигнала	0,26	1,5	нс

Другой LVDS стандарт относится к проектам IEEE. Этот стандарт является попыткой развития стандарта для целей объединения процессоров в мультипроцессорных системах или объединения рабочих станций в группу. Эта программа SCI интерфейса (Scalable Coherent Interface) оригинально описывает дифференциальный интерфейс ECL обеспечивающий высокую скорость передачи информации, но не накладывает ограничений на потребляемую мощность и степень интеграции.

Стандарт SCI-LVDS малой мощности был позже определён как часть SCI и описан в IEEE 1596.3 стандарте. Этот стандарт так же определяет и методы кодирования пакетов информации используемых в SCI передаче данных. Стандарт IEEE 1596.3 принят в Марте 1996 г.