Ohmse verliezen Filterwerking van de bekabeling Invloed van ruis afkomstig uit de omgeving Vermogenverbruik
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
3
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Gebruiksgebied
Digitale interface protocols
Jan Genoe
Normale CMOS logica wordt gebruikt voor afstanden korter dan 1 meter en matige snelheden. Wanneer we in de richting gaan van 100 Mbps wordt er op korte afstand overgegaan tot de protocols BTL/GTL/GTLP. Voor laagfrequent signalen en korte afstanden volstaat RS232. Wanneer de afstand toeneemt kan dit uitgebreid worden naar RS-423. TIA/EIA-422 en TIA/EIA-485 laten signalen tot 50 Mbps en gaan verder dan 1 km aan een verlaagde snelheid. LVDS neemt boven 50 Mbps maar het bereik is niet zo ver. Wanneer multi-Gbps transfers nodig zijn, neemt ECL/PECL/CML over.
Versie: vrijdag 16 november 2001
4
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Single ended transmissie • • • • • •
Korte lijnlengte Lage frequenties Hoog vermogenverlies grote EMI Lage kost 232, BTL, GTL, GTLP
Digitale interface protocols
Jan Genoe
Omwille van de grotere gevoeligheid voor storingen moeten er grotere spanningen gebruikt worden. Dit geeft dan weer aanleiding tot groot vermogenverlies en grote uitstraling.
Versie: vrijdag 16 november 2001
5
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Standaard CMOS,TTL en LVTTL • Een grote spanningszwaai is aanwezig • Groot vermogenverbruik
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
6
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
GTL protocol Output pull down driver • V0H=1.2V • V0L=0.4V
Een kleine aanpassing om het systeem minder gevoelig te maken aan grondspanningsvariaties en groudgroud-bounce GTL systeem kan gewoonlijk werken onder GTL+ condities (door spanningsreferenties aan te passen) Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
8
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Overzicht spanningsniveaus GTL(+)
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
9
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Instelling van Vref • Vanuit de I/O voedingsspanning aan de hand van een deler. • R=1kΩ Ω, C= 0.1 µF • Alle ICs op de print gebruiken dezelfde Vref
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
10
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
GTLP • Uitbreiding van GTL vooral voor backplanes
Digitale interface protocols
Jan Genoe
GTLP werd geintroduceerd in 1997.
Versie: vrijdag 16 november 2001
11
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
GTLP protocol • Output edge control (OEC) geintroduceerd • Zo wordt verlaagd door de capaciteit van de load
Digitale interface protocols
Jan Genoe
GTLP werd geintroduceerd in 1997.
Versie: vrijdag 16 november 2001
12
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Situering GTLP
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
13
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Xilinx VIRTEX I/O blok
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
14
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Instelling Xilinx VIRTEX I/O blok
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
15
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Differentiele transmissie • • • • • •
Lange lengte van de lijnen Common mode verwerping Hoge signaalsnelheid Lage EMI Hogere kost 422, 485, 644, 1394, USB
Digitale interface protocols
Jan Genoe
Ruis die gemeensschappelijk geinjecteerd wordt in beide draden vormt helemaal geen probleem. Ook het verschil en verschuiven van de grond (ground shift) tussen zender en ontvanger vormt geen probleem. Hierdoor wordt een betere kwaliteit van de transmissie bekomen en daardoor kunnen er lagere spanningen gebruikt worden. Deze lagere spanningen verminderen dan weer de uitgestraalde energie en het verloren vermogen. Storingen op de voedingsspanning hebben bovendien geen invloed op het bekomen resultaat.
Driver Output: Driver Belasting: Vermogen naar de belasting: Ontvanger Input Range: Theoretisch maximum snelheid:
Digitale interface protocols
1.5 V 60 Ω 37.5 mW ± 7 V ground shift 35 Mbps
Jan Genoe
HVDS laat redelijke snelheden en grote afstanden toe. De grote toegelaten ground shift maakt het ook mogelijk te werken in omgevingen met sterke ruis. high-voltage differential signaling
Driver Output: Driver Belasting : Vermogen naar de belasting : Ontvanger Input Range: Theoretisch maximum snelheid:
0.35 V 100 Ω 1.2 mW ± 1 V ground shift 1.923 Gbps
Digitale interface protocols
Jan Genoe
LVDS laat hoge snelheden en redelijke afstanden toe. De kleinere toegelaten ground shift vermindert de maximaal toegelaten ruis.
Versie: vrijdag 16 november 2001
19
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
LVDS (TIA/EIA-644) • Electrical-layer standaard, voor point-to-point communicatie. • Communicatie protocol is niet gedefinieerd. • Connectors, pin assignments zijn niet gespecificeerd. • LVDS kan gebruikt worden voor data transmissie over gebalanceerde interconnects – – – –
Nodige stroom voor LVDS drivers • 350 mV over 100 Ω: 3.5 mA • Sommige fabricanten: Current mode drivers • Andere fabricanten : Voltage mode drivers
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
22
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Eenvoudig model van een LVDS driver • Een stroom van 3.5 mA wordt in de baan gestuurd Ω • De Zo van de baantjes is 50Ω
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
23
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
LVDS in VITREX-E • LVDS tot 622 Mbps • Vcco=2.5 V • I=3.5 mA
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
24
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
622 Mbps LVDS in de VIRTEX-E • Er wordt een interne klok van 311 MHz gebruikt
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
25
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
LVDS Implementatie in Altera APEX 20KE • LVDS tot 820 Mbps • True differential drivers • Dedicated ground pins
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
26
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
LVDS cablage 1: flex circuit • Geschikt voor verbindingen op korte afstand • Is echter moeilijk af te schermen
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
27
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
LVDS cablage 2: twinax • Coax is niet gebalanceerd • Twinax schermt alles af.
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
28
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
LVDS cablage 3: Ribbon kabel • Goedkoop en gemakkelijk af te schermen • Grondbanen tussen paren • Geen signalen aan de rand
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
29
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
LVDS cablage 4: Twisted pair • • • •
Beste methode voor LVDS Cat 3 kabel tot 10 meter Cat 5 kabel voor langere verbindingen Paren die dezelfde vertraging moeten hebben worden op dezelfde afstand van het centrum gelegd.
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
30
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Differentiële karakteristieke impedantie • Ook een differentiële lijn dient getermineerd te worden op de karakteristieke impedantie van de lijn.
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
31
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Differentiële karakteristieke impedantie • Hoegroot is deze differentiële karakteristieke impedantie?
Digitale interface protocols
Versie: vrijdag 16 november 2001
Jan Genoe
32
Digitale Interface protocols
Jan Genoe
KHLim
Differentiële karakteristieke impedantie • De differentiële karakteristieke impedantie is lager dan het dubbele van de karakteristieke impedantie van het baantje • De afstand S en de hoogte h bepalen het verschil
