Интерфейс LVDS

Как работает линия LVDS

В передатчике стоит источник тока и мост из ключей. Ключи направляют ток то в прямой провод пары (OUT+), то в инверсный (OUT−), и он всегда возвращается по второму проводу. Вход приёмника высокоомный, поэтому почти весь ток проходит через терминатор, и напряжение на нём равно току, умноженному на 100 Ом. Смена логического уровня меняет направление тока и знак напряжения при той же амплитуде (SNLA187, разд. 1.1).

Из этой схемы следуют три свойства, ради которых LVDS выбирают (SNLA187, разд. 1.1):

• Нет бросков тока при переключении. Источник тока работает постоянно, меняется только направление. Нет транзисторов, которые включают и выключают большой ток, а значит меньше помех по питанию и излучения.
• Помеха вычитается. Провода пары идут рядом, и наводка от соседних цепей попадает на оба почти одинаково. Приёмник реагирует на разность, синфазная помеха взаимно уничтожается.
• Пара слабо излучает. Токи в проводах равны и противоположны, их поля в основном компенсируются.

Мощность тоже невелика: на терминаторе рассеивается I²R = (3,5 мА)² · 100 Ом ≈ 1,2 мВт (наш расчёт). Для сравнения: передатчик RS-422 выдаёт не меньше 2 В на ту же нагрузку 100 Ом, то есть не меньше 20 мА и 40 мВт в терминаторе.

Уровни LVDS

Как считать размах. VOD у LVDS — это модуль разности напряжений на выходах при нагрузке 100 Ом, а не размах «от пика до пика». Сигнал меняет знак, поэтому от +350 до −350 мВ получается 700 мВ пик-пик. TI подчёркивает, что другие дифференциальные стандарты часто нормируют именно пик-пик, и при сравнении легко ошибиться вдвое: выход LVDS с VOD 400 мВ по амплитуде равен выходу CML с 800 мВ пик-пик (SNLA187, разд. 9.3).

Запас по помехе. Минимальный выход передатчика SN65LVDS31 — 247 мВ, порог приёмника — 100 мВ: между ними почти 150 мВ запаса на затухание в линии и наводки (наш расчёт по даташитам). Это намного меньше, чем 1,8 В у RS-422, поэтому LVDS прокладывают по согласованным линиям с хорошей землёй и не тянут на сотни метров.

Земли передатчика и приёмника. Приёмник работает в синфазном диапазоне 0…2,4 В, а передатчик держит синфазное около 1,2 В. Разность потенциалов земель около ±1 В в этот диапазон укладывается — именно столько TI и закладывает для связи двух узлов LVDS с разными источниками питания (SLLS262R, разд. 3 и 12). При большей разности нужен стандарт с широким синфазным диапазоном — M-LVDS или RS-485.

Терминатор

Терминатор в LVDS не «добавка против отражений», а часть самой схемы: он превращает ток передатчика в напряжение. Его номинал равен дифференциальному волновому сопротивлению линии. TI требует, чтобы сопротивление отличалось от волнового не больше чем на 10 %: для линии 100 Ом — 90–110 Ом (SLLS262R, разд. 11.2.1.2.7).

Правила установки:

• Как можно ближе к входам приёмника. Отрезок от резистора до выводов — неподключённый отвод, от которого отражается сигнал. Предельный случай — терминатор внутри приёмника: так сделаны приёмники с буквой T в названии, например SN65LVDT386 (SLLS262R).
• В соединении точка — точка — один, у приёмника. На стороне передатчика резистор не нужен.
• В многоточечной линии — только на концах линии. Если передатчик стоит на одном конце, а приёмники вдоль линии, достаточно терминатора на дальнем конце; если передатчик подключён в середине — терминаторы нужны на обоих концах (SNLA187, разд. 2.2). Приёмники на отводах при этом должны быть без встроенного терминатора.

Развязка конденсаторами. Последовательно с каждым проводом пары можно поставить конденсатор: это убирает постоянную составляющую и разность потенциалов земель, позволяет соединять LVDS с CML и LVPECL с другими уровнями. Цена — данные должны быть сбалансированы по постоянному току, иначе после длинной серии одинаковых бит заряд на конденсаторах выравнивается и запас по помехе падает. Поэтому развязку применяют с кодами вроде 8b/10b, где нулей и единиц поровну (SNLA187, разд. 4.3 и 4.4).

Failsafe: приёмник без сигнала

Когда разность на входах лежит между −100 и +100 мВ, выход приёмника не определён — может быть и «0», и «1», а на шумящей линии он начинает дребезжать. Такое случается, когда передатчик выключен, в высокоимпедансном состоянии или кабель отсоединён.

Многие приёмники LVDS решают это встроенной схемой failsafe. У SN65LVDS32 каждый вход подтянут к питанию резистором 300 кОм; если оба входа поднялись выше примерно 2,3 В — тока в линии нет, — логика принудительно выставляет на выходе «1» (SLLS262R, разд. 10.3.2). Терминатор между входами этому не мешает. Но схема рассчитана на обрыв: если другая схема терминации даёт постоянный ток с входов на землю, он пересиливает подтяжки, и failsafe не срабатывает (SLLS262R).

TI оговаривает: встроенного failsafe хватает против обрывов и замыканий на входе, но в сильных помехах или при отсоединённом длинном кабеле приёмник всё же может генерировать. Тогда нужен экранированный кабель или внешняя резисторная сеть смещения, которая создаёт на входах постоянную разность больше порога (SNLA187, разд. 4.6). Номиналы такой сети — компромисс: чем больше смещение, тем надёжнее failsafe и тем меньше запас для настоящего сигнала. Тот же принцип для RS-485 разобран в статье о смещении шины.

Скорость и длина

Сам стандарт не задаёт скорость, она зависит от микросхем и линии. В таблице TI для разных вариантов (SNLA187, табл. 1-1):

Простые микросхемы работают медленнее: передатчик SN65LVDS31 имеет фронт около 500 пс и рассчитан на 400 Мбит/с, приёмники SN65LVDS32 и SN65LVDS3486 — на 100 Мбит/с, SN65LVDS9637 — на 150 Мбит/с при всех активных каналах (SLLS261N, SLLS262R).

Длина линии ограничена потерями в кабеле, а не сопротивлением проводов, как у RS-485. Типичная среда LVDS — дорожки платы, плоские шлейфы, витые пары и твинаксиальные кабели длиной до единиц и десятков метров. Для кабеля важен не только тип, но и перекос (skew) — разница задержек внутри пары и между парами. Перекос внутри пары превращает часть дифференциального сигнала в синфазный и увеличивает потери на высоких частотах; при передаче нескольких пар с общим тактом перекос между парами съедает запас по времени (SNLA187, гл. 7). Задержку и допустимую разницу длин дорожек поможет оценить калькулятор задержки в дорожке.

B-LVDS и M-LVDS: LVDS на общей шине

Обычный передатчик LVDS рассчитан на одну нагрузку 100 Ом. На шине с несколькими приёмниками и терминаторами на обоих концах нагрузка вдвое меньше, а отводы к каждому узлу снижают действующее волновое сопротивление ещё сильнее. Для таких линий сделаны два варианта (SNLA187, разд. 2.2 и 4.2):

• B-LVDS (Bus LVDS) — ток около 10 мА, замедленные фронты, чтобы отражения от отводов меньше мешали. В хорошо спроектированной объединительной плате — до 32 нагрузок, скорость обычно ниже 1 Гбит/с. Отдельного стандарта нет.
• M-LVDS (Multipoint LVDS) — стандарт TIA/EIA-899: больший ток, управляемые фронты, более точные пороги и расширенный синфазный диапазон. До 32 нагрузок на скоростях до 250 Мбит/с.

Терминаторы на шине ставят на обоих концах, номиналом в действующее сопротивление нагруженной линии. Пример TI — объединительная плата ATCA: собственное волновое сопротивление 130 Ом, но с учётом нагрузки от плат её концы согласуют резисторами 80 Ом (SNLA187, разд. 4.2).

У приёмников M-LVDS два типа. Тип 1 имеет симметричный порог, как у LVDS. У типа 2 порог смещён на 100 мВ, и на неподключённой линии он уверенно выдаёт «0» — это встроенный failsafe, но ценой меньшего запаса по помехе и искажения скважности тактового сигнала. Зато тип 2 позволяет «монтажное ИЛИ»: несколько плат делят одну пару для сигнала прерывания, и любая может выставить на ней единицу (SNLA187, разд. 4.6).

TI сравнивает M-LVDS с RS-485 для связи на объединительной плате и по кабелю (SNLA187, разд. 9.6):

Синфазного диапазона M-LVDS хватает при разности потенциалов земель до ±1 В, и TI называет его достаточным для линий до 100 м. Дальше разность земель обычно больше, и рекомендуется RS-485 с его −7…+12 В.

LVDS в дисплеях: FPD-Link и FlatLink

Самое массовое применение LVDS, которое встречает разработчик, — интерфейс матриц ноутбуков, мониторов и промышленных TFT-панелей. Параллельная шина 24-битного RGB со строчной и кадровой синхронизацией, разрешением данных и тактом — это около тридцати проводов. Сериализатор превращает её в несколько пар LVDS: SNLA187 называет такие микросхемы SerDes с параллельным тактом, «виртуальным плоским шлейфом», и среди типичных применений первыми указывает дисплеи ноутбуков (SNLA187, разд. 3.2 и 3.6).

Устройство на примере передатчика TI FlatLink SN75LVDS83B (SLLS846C, разд. 9):

• Четыре 7-битных сдвиговых регистра принимают 28 бит данных по фронту входного такта; фронт — нарастающий или спадающий — выбирает вывод CLKSEL.
• Синтезатор умножает частоту такта на 7, и регистры выдвигают данные в четыре пары Y0–Y3 по 7 бит за такт.
• Пятая пара CLKOUT передаёт такт частоты пикселя; высокий уровень длится 4/7 периода.
• Частота пикселя — 10–135 МГц, входы данных принимают уровни от 1,8 до 3,3 В.

На 135 МГц каждая пара передаёт 135 · 7 = 945 Мбит/с, а четыре пары вместе — 3,78 Гбит/с (наш расчёт). Передатчик бывшей National DS90C385A на 87,5 МГц выдаёт 612,5 Мбит/с на пару и 2,45 Гбит/с всего; его выход соответствует TIA/EIA-644 с типичным размахом 345 мВ (SNLS167K). Микросхемы-приёмники того же семейства и сами панели со встроенным приёмником LVDS делают обратное преобразование.

18 и 24 бита. Варианты на 21 бит (три пары данных) рассчитаны на цвет 6 бит на канал — 18 бит RGB плюс три сигнала: строчная и кадровая синхронизация и разрешение данных. Варианты на 28 бит (четыре пары) — на 8 бит на канал: 24 бита цвета, те же три сигнала и резервный бит. Четырёхпарный передатчик работает и с 18-битной панелью: выход Y3 оставляют свободным, а неиспользуемые входы D5, D10, D11, D16, D17, D23 и D27 соединяют с землёй (SLLS846C, разд. 9.1 и описание выводов).

Формат четвёртой пары. У 24-битных панелей есть два варианта раскладки. В формате 1 по четвёртой паре Y3 идут два старших бита каждого цвета — так устроено большинство панелей. В формате 2 по ней идут два младших бита (SLLS846C, примечание к рис. 15). В документации панелей эти раскладки называют VESA и JEIDA; TI в даташите приёмника DS90UB948-Q1 (SNLS477D, рис. 7-20 и 7-21) связывает их однозначно: старшие биты на четвёртой паре — «OLDI/SPWG/VESA», то есть формат 1, младшие — «JEIDA», формат 2. Если перепутать, картинка будет, но с искажёнными цветами и градиентами, — проверьте формат по даташиту панели.

Разъёмы дисплейных LVDS не стандартизованы: у каждой панели своя распиновка, свои напряжения питания матрицы и подсветки. Интерфейсы мониторов следующего поколения — DVI и HDMI — используют другую дифференциальную технологию, TMDS.

LVDS в ПЛИС

Почти все современные ПЛИС умеют принимать и выдавать LVDS прямо с выводов: пара соседних выводов банка настраивается как дифференциальный вход или выход, часто со встроенным терминатором 100 Ом. В САПР Vivado для ПЛИС AMD (Xilinx) серии 7 встроенный терминатор 100 Ом включает свойство DIFF_TERM у входов стандартов LVDS, LVDS_25, MINI_LVDS_25, PPDS_25 и RSDS_25; по умолчанию он выключен. Для семейств UltraScale AMD рекомендует другое свойство — DIFF_TERM_ADV (AMD UG912):

# AMD (Xilinx) 7 series XDC: enable the built-in 100-ohm termination on an LVDS input
set_property IOSTANDARD LVDS_25 [get_ports {adc_d_p adc_d_n}]
set_property DIFF_TERM TRUE [get_ports adc_d_p]

Если встроенный терминатор включён, внешний резистор у входа не ставят — иначе два параллельных резистора дадут 50 Ом и половину сигнала. И наоборот: если терминатор не включён и внешнего нет, вход ПЛИС окажется на линии без нагрузки.

Что TI советует учитывать при работе ПЛИС с LVDS (SNLA187, разд. 9.3):

• Ёмкость выводов. У некоторых ПЛИС ёмкость ввода-вывода большая. На гигабитных скоростях она даёт провал импеданса у передатчика и приёмника, отражения от которого накладываются на следующие биты. Линию между ними стоит делать как можно короче, а большую ёмкость можно «спрятать» за буфером-повторителем.
• Шинный режим. Требования M-LVDS к нагрузке и фронтам для многоточечных линий выводы ПЛИС обычно не выполняют; для таких линий ставят внешние буферы B-LVDS или M-LVDS.
• Соединение с другими стандартами. Вход LVDS с широким синфазным диапазоном принимает выходы CML и LVPECL с размахом 200–1600 мВ пик-пик, и часто их можно соединять напрямую. Выход LVDS с синфазным 1,2 В подключают ко входу CML через конденсаторы.
• Внешние сериализаторы. Если у ПЛИС нет быстрых приёмопередатчиков, широкую параллельную шину LVCMOS выгоднее заменить внешним сериализатором с выходом LVDS: меньше дорожек, меньше одновременно переключающихся выходов и «звона» земли.

Номинальные уровни и наличие терминатора проверяйте по документации конкретной ПЛИС: TI предупреждает, что часть микросхем с «LVDS-выводами» на деле не выдерживает синфазное напряжение или другие параметры стандарта (SNLA187, разд. 1.1).

Разводка пары на плате

• Пара — это одна линия. Две дорожки идут рядом с одинаковыми шириной и зазором по всей длине, симметрично. Если зазор меньше двух ширин дорожки, пару называют сильно связанной (SNLA187, разд. 5.1). Дифференциальное волновое сопротивление — 100 Ом, его задают ширина, зазор и толщина диэлектрика до опорного слоя; для одиночной дорожки помогает калькулятор микрополосковой линии.
• Одинаковая длина. Разница длин проводов пары даёт перекос, который превращает часть сигнала в синфазную помеху. Пары с общим тактом, как в FPD-Link, выравнивают и между собой.
• Сплошной опорный слой. Под парой — неразрезанная плоскость земли; переходных отверстий — минимум и одинаково на обеих дорожках. О стеке слоёв — в статье «Слои печатной платы», о переходных отверстиях — в «Переходные отверстия».
• Без отводов. Терминатор — у самых выводов приёмника, контрольные точки — без длинных ответвлений.
• Неиспользуемые входы. Входы приёмника без сигнала не оставляйте висеть, если у микросхемы нет failsafe при обрыве: свяжите их по даташиту.

Типичные ошибки

• Нет терминатора. Ток передатчику некуда деться, напряжения на приёмнике по сути нет — или есть, но со звоном.
• Два терминатора. Внешний резистор плюс встроенный в приёмник или ПЛИС — 50 Ом вместо 100 и вдвое меньший сигнал.
• Терминатор далеко от приёмника. Отрезок дорожки после резистора — неподключённый отвод.
• Перепутаны провода пары. Данные инвертируются. На плате это иногда делают намеренно для удобства разводки и инвертируют сигнал в ПЛИС; главное — не случайно.
• Перепутан формат FPD-Link. Изображение есть, цвета и градиенты искажены: формат 1 вместо формата 2 или наоборот.
• Связь между приборами с разными землями без общего провода. LVDS терпит около ±1 В разности; дальше — сбои или повреждение входов. Для таких линий — M-LVDS, гальваническая развязка или RS-485.
• Сравнение размаха «на глаз». VOD у LVDS — модуль разности, а не пик-пик; при подключении к CML или LVPECL сначала приведите уровни к одной мере.

Когда выбирать LVDS

• Быстрые сигналы внутри прибора: между платами, по шлейфу к дисплею или камере, от АЦП к ПЛИС — десятки и сотни мегабит в секунду на пару при малом потреблении и излучении.
• Тактовые сигналы с малым джиттером на несколько микросхем — для раздачи на много нагрузок берут буферы LVDS или M-LVDS.
• Шина на объединительной плате с несколькими передатчиками — M-LVDS.

Для линий в сотни метров между приборами LVDS не подходит: там нужны RS-485, RS-422 или CAN. Сравнение всех интерфейсов — в разделе «Интерфейсы».