وبلاگ در باره راهنمای انتخاب LVDS برای انتقال داده با سرعت بالا

در عصر تقاضاهای رو به رشد فزاینده برای انتقال داده با سرعت بالا، مهندسان با یک چالش مشترک روبرو هستند: نحوه انتخاب مناسب ترین راه حل LVDS (سیگنال سازی دیفرانسیل با ولتاژ پایین) از مجموعه عظیمی از محصولات موجود. به عنوان یک فناوری رابط سریال که از سیگنال‌های دیفرانسیل کم دامنه برای انتقال داده با سرعت بالا استفاده می‌کند، LVDS مدت‌هاست در دستگاه‌هایی مانند لپ‌تاپ و تلویزیون‌های دیجیتال برای اتصال بردهای منطقی به پنل‌های LCD استفاده می‌شود. با این حال، کاربردهای آن بسیار فراتر از این حوزه ها است.

LVDS با ویژگی‌های عملکرد استثنایی خود به پایه و اساس بسیاری از فناوری‌های ارتباط سریالی پرسرعت تبدیل شده است که نقش مهمی در زمینه‌هایی با الزامات انتقال داده سختگیرانه ایفا می‌کند. این مقاله اصول اصلی فناوری LVDS را تحلیل می‌کند و راهنمای انتخاب محصول جامعی را از طریق مثال‌های کاربردی عملی در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.

ماهیت فناوری LVDS در استفاده از منبع جریان ثابت 3.5 میلی آمپر برای تولید سیگنال های دیفرانسیل ولتاژ پایین با دامنه های کوچک به اندازه 350 میلی ولت نهفته است. این مشخصه انتقال دیفرانسیل ولتاژ پایین، LVDS را قادر می‌سازد تا به طور موثر نویز حالت معمول را سرکوب کند و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش دهد و انتقال داده با سرعت بالا و قابل اعتماد را تسهیل کند. طبق استانداردهای ANSI، EIA و TIA، LVDS از نظر تئوری حداکثر نرخ انتقال تا 655 مگابیت بر ثانیه را پشتیبانی می کند. با این حال، با بهینه‌سازی دقیق طراحی، برنامه‌های کاربردی عملی می‌توانند به نرخ‌هایی بیش از ۱ گیگابیت بر ثانیه دست یابند.

کاربردهای LVDS صنایع متعددی را در بر می گیرد. فراتر از لپ‌تاپ‌ها و تلویزیون‌های دیجیتال، این فناوری به طور گسترده در اتوماسیون صنعتی، تجهیزات پزشکی و الکترونیک خودرو به کار گرفته می‌شود. در اتوماسیون صنعتی، LVDS تبادل اطلاعات با سرعت بالا و در زمان واقعی را بین سنسورها، کنترل‌کننده‌ها و محرک‌ها تسهیل می‌کند. دستگاه‌های پزشکی از LVDS برای انتقال تصاویر پزشکی با وضوح بالا استفاده می‌کنند که الزامات کیفیت دقیق را برآورده می‌کنند. سیستم‌های خودرو از LVDS برای اتصال دوربین‌ها، نمایشگرها و واحدهای کنترل استفاده می‌کنند و سیستم‌های پیشرفته کمک راننده (ADAS) را فعال می‌کنند.

برای درک بهتر محصولات مرتبط با LVDS، می‌توان آنها را به سه گروه اصلی دسته‌بندی کرد:

این اجزا در درجه اول بین سیگنال‌های TTL/CMOS و سیگنال‌های LVDS تبدیل می‌شوند و فاصله‌های انتقال را افزایش می‌دهند و نرخ داده را افزایش می‌دهند. درایورهای LVDS سیگنال‌های TTL/CMOS را به سیگنال‌های LVDS برای انتقال کابل دیفرانسیل تبدیل می‌کنند، در حالی که گیرنده‌ها سیگنال‌های LVDS ورودی را برای پردازش مدار بعدی به TTL/CMOS تبدیل می‌کنند.

این دستگاه ها کیفیت سیگنال LVDS را بهبود می بخشد و ایمنی نویز را بهبود می بخشد. در طول انتقال، سیگنال‌های LVDS می‌توانند از عواملی مانند از دست دادن کابل و عدم تطابق امپدانس آسیب ببینند و منجر به تضعیف و اعوجاج شوند. تهویه‌کننده‌های سیگنال از تکنیک‌هایی مانند پیش تأکید، تأکید‌زدایی، و یکسان‌سازی برای جبران این تأثیرات، افزایش فاصله انتقال و افزایش نرخ داده استفاده می‌کنند.

این مولفه ها بین فرمت های داده موازی و سریال تبدیل می شوند و نیاز به کابل را کاهش می دهند و هزینه های سیستم را کاهش می دهند. LVDS SERDES داده های موازی را به سیگنال های LVDS سریال برای انتقال دیفرانسیل تبدیل می کند، در حالی که SERDES سمت گیرنده سیگنال های سریال را به فرمت موازی تبدیل می کند.

به عنوان اساسی‌ترین محصولات LVDS، درایورها و گیرنده‌ها با تبدیل سیگنال‌های سطح TTL/CMOS به فرمت LVDS، انتقال در فواصل طولانی‌تر و با سرعت بالاتر را امکان‌پذیر می‌کنند. پیاده سازی درایورهای LVDS در انتهای انتقال و گیرنده ها در مقصد، همراه با خطوط انتقال دیفرانسیل، انتقال سیگنال TTL/CMOS را تسهیل می کند.

پارامترهای کلیدی برای انتخاب درایور / گیرنده LVDS عبارتند از:

• تعداد کانال:در پیکربندی های تک، دو کاناله و چهار کاناله موجود است
• نرخ انتقال:معمولا بین 400 مگابیت بر ثانیه و 600 مگابیت در ثانیه در کاربردهای عملی
• فاصله انتقال:تقریباً 15 متر با استفاده از کابل های استاندارد UTP (CAT6، AWG24)
• قابلیت رانندگی:حداکثر باری که راننده می تواند تحمل کند
• مصرف برق:به ویژه برای برنامه های حساس به انرژی مهم است

هنگام استفاده از چندین درایور LVDS برای انتقال سیگنال TTL/CMOS چند بیتی موازی، مهندسان باید انحراف زمان‌بندی بین درایورها را در نظر بگیرند. به طور معمول، درایورهای LVDS همان مدل، حداکثر انحراف بین دستگاهی را در شرایط یکسان نشان می‌دهند که معمولاً برای سیگنال‌های TTL/CMOS 60 مگاهرتز یا 80 مگاهرتز مشکلی ایجاد نمی‌کند.

به عنوان اجزای پیشرفته‌تر LVDS، تهویه‌کننده‌های سیگنال از تکنیک‌های پیش تأکید، تأکید زدایی، و یکسان‌سازی برای بهبود کیفیت سیگنال و ایمنی نویز استفاده می‌کنند، در نتیجه فاصله انتقال را افزایش می‌دهند و نرخ داده را افزایش می‌دهند. این دستگاه‌ها در اتصالات بین FPGA، ASIC، DSP و مدارهای خارجی و همچنین در اتصالات پشتی با سرعت بالا کاربرد پیدا می‌کنند.

در انتقال داده با سرعت بالا، کیفیت سیگنال می تواند به دلیل از دست دادن کابل و عدم تطابق امپدانس کاهش یابد. این امر به ویژه در هنگام استفاده از FPGA های مقرون به صرفه که سیگنال های شبه LVDS (بدون منابع جریان ثابت) را خروجی می کنند مشهود است. تهویه‌کننده‌های سیگنال به‌طور موثر کیفیت شکل موج را در چنین سناریوهایی بهبود می‌بخشند و منافذ بزرگ‌تری را در نمودار چشم ایجاد می‌کنند.

فن آوری های کلیدی شرطی سازی سیگنال عبارتند از:

• پیش تاکید:اجزای فرکانس بالا را در فرستنده تقویت می کند تا میرایی فرکانس بالا ناشی از کابل را جبران کند.
• تاکید زدایی:اجزای فرکانس پایین را برای کاهش انحراف DC و بهبود ایمنی نویز ضعیف می کند
• تساوی:اعوجاج سیگنال در انتهای گیرنده را با استفاده از تکنیک های فیلتر خطی یا غیرخطی جبران می کند

هنگام انتخاب تهویه کننده سیگنال، مهندسان باید ارزیابی کنند:

• نرخ داده:دستگاه‌های کنونی تا 3.125 گیگابیت بر ثانیه یا بالاتر را پشتیبانی می‌کنند
• قابلیت تساوی:درجه جبران اعوجاج سیگنال را تعیین می کند
• مصرف برق:برای طراحی های حساس به قدرت بسیار مهم است
• قابلیت برنامه ریزی:به تنظیم پارامتر برای افزایش انعطاف پذیری سیستم اجازه می دهد

در حالی که LVDS در انتقال داده با سرعت بالا همچنان برجسته است، افزایش تقاضای نرخ داده محدودیت های خاصی را نشان می دهد. نوسان ولتاژ کوچک این فناوری ایمنی نسبتاً ضعیفی نسبت به نویز ارائه می دهد و محدوده ولتاژ حالت مشترک باریک آن الزامات طراحی سیستم سخت تری را تحمیل می کند. برای رسیدگی به این چالش ها با نرخ داده بالاتر، برخی از تولیدکنندگان فناوری منطق حالت فعلی (CML) را اتخاذ کرده اند.

معماری سوئیچینگ جریان CML سرعت سوئیچینگ بالاتر و مصرف انرژی کمتری را ارائه می دهد. در مقایسه با LVDS، CML نوسان‌های ولتاژ بزرگ‌تری را برای بهبود ایمنی نویز و دامنه‌های ولتاژ حالت رایج گسترده‌تر ارائه می‌دهد که محدودیت‌های طراحی سیستم را کاهش می‌دهد. در حال حاضر CML با پشتیبانی از نرخ داده از 6 گیگابیت بر ثانیه تا 10 گیگابیت در ثانیه و بالاتر، به تدریج جایگزین LVDS در برخی از برنامه های کاربردی پرسرعت می شود.

LVDS به عنوان یک فناوری بالغ انتقال داده با سرعت بالا، پذیرش گسترده ای را در صنایع متعدد حفظ می کند. انتخاب محصول مستلزم در نظر گرفتن دقیق تعداد کانال، نرخ انتقال، مسافت، قابلیت درایو و مصرف انرژی است. برای برنامه‌هایی که به سرعت داده‌های بالاتری نیاز دارند، فناوری CML جایگزین مناسبی است. همانطور که این فناوری‌ها به تکامل خود ادامه می‌دهند، بدون شک کاربردهای جدید را فعال می‌کنند و باعث پیشرفت بیشتر در فناوری اطلاعات می‌شوند.