Low Voltage Differential Signaling

Bei dem englischen Begriff Low Voltage Differential Signaling (LVDS) handelt es sich um einen Schnittstellen-Standard für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. LVDS ist standardisiert nach ANSI/TIA/EIA-644-1995. Es beschreibt die physische Schicht, nicht die höheren darauf aufsetzenden Protokoll-Schichten.

Wichtige physikalische Merkmale sind:

• differenzielle Spannungspegel
• relativ geringe Spannungspegel (engl. low voltage)
• die Signale werden mit einer Konstantstromquelle erzeugt

Anwendungen

Die hauptsächlichen Anwendungen liegen bei seriellen Hochgeschwindigkeitsübertragungen mit einigen GBit/s. Typische Anwendungen von LVDS sind Serial ATA (SATA), PCI Express (PCIe), FireWire, HyperTransport, Videoschnittstellen wie DisplayPort und auch Feldbusse wie SpaceWire und RapidIO. Weiterhin basieren meist proprietäre digitale Schnittstellen von Flüssigkristallbildschirmmodulen im Embedded-Anwendungsbereichen und bei Laptops, wo das Display in das Gehäuse fix integriert ist, auf LVDS.

Digitale Videoschnittstellen zwischen PC und einem externen Monitor wie Digital Visual Interface (DVI) oder HDMI hingegen basieren auf der physikalischen Ebene auf dem ähnlichen aber zu LVDS unterschiedlichen Transition-Minimized Differential Signaling (TMDS).

Spannungspegel

Einfache LVDS-Verbindung, bestehend aus Sender, Empfänger und Abschlusswiderstand

Low voltage (niedrige Spannung) bedeutet, dass statt einer üblichen hohen (high voltage) Spannung 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 hohe 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 V. 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 V, während die absolute Spannung gegen GND bei ca. 1,2 V liegt. Ein Logikwechsel wird durch entgegengesetzte Änderungen der Spannung auf beiden Leitungen erzeugt. Dies wird als symmetrische Signalübertragung bezeichnet. Die Änderungen der Signalpegel auf den Einzelleitern haben immer entgegengesetztes Vorzeichen.

Logikpegel

Vee	VOL	VOH	Vcc	VCMO
GND	1,0 V	1,4 V	2,5–3,3 V	1,2 V

Funktionsprinzip

Detaillierte LVDS-Sendestufe (links), impedanzkontrollierte Übertragungsstrecke (Mitte) und LVDS-Empfänger mit Abschlusswiderstand rechts.

Auf der Treiberseite erzeugt eine Konstantstromquelle einen Strom von 3,5 mA. Dieser wird, abhängig vom Logikpegel des Eingangssignals, zwischen den beiden Signalleitungen umgeschaltet. Dabei wird die jeweils andere Leitung mit dem Nullpegel verbunden. Auf Empfängerseite fließt der Strom durch einen Abschlusswiderstand von 100 Ω. Dieser Wert entspricht dem doppelten Leitungswellenwiderstand, wodurch Reflexionen auf der Leitung verhindert werden. Der Signalstrom erzeugt im Empfänger eine Spannungsänderung von +350 mV zu −350 mV und umgekehrt.

Layout (Leiterbahnführung)

Die niedrigen Spannungspegel bewirken, dass LVDS-Signale gegenüber elektromagnetischen Störungen empfindlich sind. Ein geeignetes Layout kann der Störempfindlichkeit entgegenwirken.

Es empfiehlt sich Hin- und Rückleiter eng beieinander zu führen, oder aber einen Leiter über einer Massefläche derart zu gestalten, dass sich durch die Geometrie und das Dielektrikum der Leiterplatte der Leitungswellenwiderstand einstellt. Durch die geringe Fläche, welche die dicht beieinander geführten Leiter aufspannen, kann auch ein nur geringer magnetischer Fluss eines elektromagnetischen Feldes eine Spannungsdifferenz als Gegentaktstörung auf die Leitung einprägen. Gegenüber Gleichtaktstörungen sind die Empfänger bei einer LVDS-Übertragung bis zu 1000 mV tolerant.

Die eng beieinander geführten Leitungen bewirken auch eine nur geringe Abstrahlung des Gegentakt-Nutzsignals. Trotzdem können sich bei unzweckmäßiger Ausführung einer Schaltung auch entlang einer gut geführten Leitungsanordnung unerwünschte Gleichtaktsignale einstellen, die zur ungewollten Abstrahlung einer elektromagnetischen Welle führen. Diese lassen sich aber durch eine insgesamt EMV-gerechte Gestaltung der Schaltung und nicht nur durch die Leitungsführung beeinflussen.

Bei Übertragungsstrecken im GBit/s-Bereich sind Laufzeitunterschiede zwischen den Pfaden und eventuell auch zu anderen LVDS-Kanälen zu vermeiden. Gleiche Leiterlängen sind daher zu einer synchronen Signalübertragung erforderlich. Diese Bedingung kann mit mäandrierenden Leiterzügen erreicht werden.

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 Leitungslängenangabe in Millimeter.

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

• Einführung zu LVDS (LVDS Owner's Manual) zum download (englisch)