Digitale interface protocols Jan Genoe KHLim

Transcriptie

1 KHLim 1

2 Interface Standaarden IEEE Standaarden 488 GPIB Ethernet BTL ANSI Standaarden TIA/EIA-232 TIA/EIA-422 TIA/EIA-485 TIA/EIA Andere Standaarden SCSI USB GTL GTLP... 2

3 Keuzecriteria Keuzecriteria Hoe snel? Hoe ver? Dit wordt begrensd door: Ohmse verliezen Filterwerking van de bekabeling Invloed van ruis afkomstig uit de omgeving Vermogenverbruik 3

4 Gebruiksgebied 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. 4

5 Single ended transmissie Korte lijnlengte Lage frequenties Hoog vermogenverlies grote EMI Lage kost 232, BTL, GTL, GTLP Omwille van de grotere gevoeligheid voor storingen moeten er grotere spanningen gebruikt worden. Dit geeft dan weer aanleiding tot groot vermogenverlies en grote uitstraling. 5

6 Standaard CMOS,TTL en LVTTL Een grote spanningszwaai is aanwezig Groot vermogenverbruik 6

7 GTL protocol Output pull down driver V 0H =1.2V V 0L =0.4V Ontvanger V ref = 0.8 V V IH = V ref + 50 mv V IL = V ref - 50 mv GTL werd geintroduceerd in 1993 voor snelle bussen op printen. 7

8 GTL+ protocol Output pull down driver V 0H = 1.5 V V 0L = 0.55 V Ontvanger V ref = 1 V V IH = V ref + 50 mv V IL = V ref - 50 mv Een kleine aanpassing om het systeem minder gevoelig te maken aan grondspanningsvariaties en groud-bounce GTL systeem kan gewoonlijk werken onder GTL+ condities (door spanningsreferenties aan te passen) 8

9 Overzicht spanningsniveaus GTL(+) 9

10 Instelling van V ref Vanuit de I/O voedingsspanning aan de hand van een deler. R=1kΩ, C= 0.1 µf Alle ICs op de print gebruiken dezelfde V ref 10

11 GTLP Uitbreiding van GTL vooral voor backplanes GTLP werd geintroduceerd in

12 GTLP protocol Output edge control (OEC) geintroduceerd Z o wordt verlaagd door de capaciteit van de load GTLP werd geintroduceerd in

13 Situering GTLP 13

14 Xilinx VIRTEX I/O blok 14

15 Instelling Xilinx VIRTEX I/O blok 15

16 Differentiele transmissie Lange lengte van de lijnen Common mode verwerping Hoge signaalsnelheid Lage EMI Hogere kost 422, 485, 644, 1394, USB 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. 16

17 Spanningsniveaus in differentiele transmissie 17

18 HVDS (TIA/EIA-485) High-voltage differential signaling Driver Output: 1.5 V Driver Belasting: 60 Ω Vermogen naar de belasting: 37.5 mw Ontvanger Input Range: ± 7 V ground shift Theoretisch maximum snelheid: 35 Mbps 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 18

19 LVDS (TIA/EIA-644) Low-voltage differential signaling Driver Output: 0.35 V Driver Belasting : 100 Ω Vermogen naar de belasting : 1.2 mw Ontvanger Input Range: ± 1 V ground shift Theoretisch maximum snelheid: Gbps LVDS laat hoge snelheden en redelijke afstanden toe. De kleinere toegelaten ground shift vermindert de maximaal toegelaten ruis. 19

20 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 twisted-pair kabel twinax kabel flat ribbon kabel PCB baantjes 20

21 Spanning specificaties Driver Output signal: Common mode: Receiver input: mv V +/- 100 mv 21

22 Nodige stroom voor LVDS drivers 350 mv over 100 Ω: 3.5 ma Sommige fabricanten: Current mode drivers Andere fabricanten : Voltage mode drivers 22

23 Eenvoudig model van een LVDS driver Een stroom van 3.5 ma wordt in de baan gestuurd De Z o van de baantjes is 50Ω 23

24 LVDS in VITREX-E LVDS tot 622 Mbps V cco =2.5 V I=3.5 ma 24

25 622 Mbps LVDS in de VIRTEX-E Er wordt een interne klok van 311 MHz gebruikt 25

26 LVDS Implementatie in Altera APEX 20KE LVDS tot 820 Mbps True differential drivers Dedicated ground pins 26

27 LVDS cablage 1: flex circuit Geschikt voor verbindingen op korte afstand Is echter moeilijk af te schermen 27

28 LVDS cablage 2: twinax Coax is niet gebalanceerd Twinax schermt alles af. 28

29 LVDS cablage 3: Ribbon kabel Goedkoop en gemakkelijk af te schermen Grondbanen tussen paren Geen signalen aan de rand 29

30 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. 30

31 Differentiële karakteristieke impedantie Ook een differentiële lijn dient getermineerd te worden op de karakteristieke impedantie van de lijn. 31

32 Differentiële karakteristieke impedantie Hoegroot is deze differentiële karakteristieke impedantie? 32

33 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 33