Goldie, J.: High-Speed-Leiterplatten-Design mit Bus-LVDS-Technik

<BODY> <H1>www.duv24.net : Goldie, J.: High-Speed-Leiterplatten-Design mit Bus-LVDS-Technik</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>01.02.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>National Semiconductor GmbH:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Goldie, J.: High-Speed-Leiterplatten-Design mit Bus-LVDS-Technik</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Praxistipps für das Design differentieller Backplanes</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in DESIGN&VERIFICATION 0/2000, S. 24<BR><BR>Weiterer Autor:<BR>Dr. JINHUA CHEN, NESA. <BR><BR>Vorwort<BR>Die LVDS-Technik (Low-Voltage Differential Signaling) revolutioniert das Design von Hochleistungs-Backplanes für die Multipoint-Kommunikation in Daten-, Telekommunikations-, ISP-und Massenspeicher-Applikationen. Diese Technik erlaubt in vielen Fällen eine Vervierfachung der Bandbreite, während die Verlustleistung geringer ist und sich der Leitungsabschluss weniger komplex gestaltet. Durch die Verwendung einer differentiellen Technologie kann mit geringerem Spannungshub gearbeitet werden, ohne den Rauschabstand zu beeinträchtigen. Dies erlaubt Multipoint-Übertragungsraten von 100 bis 400 Mbit/s und mehr, sorgt für niedrige Bitfehlerraten, gestattet das Einstecken von Karten in das laufende System (live-insertion) und führt insgesamt zu einer Betriebssicherheit, die mit Single-Ended-Technologien und geringem Spannungshub nicht erreichbar ist. Der vorliegende Beitrag gibt Hinweise und praktische Design-Richtlinien für ‚Bus LVDS‘-Backplanes. Die dargelegten Konzepte werden durch Berechnungen, Simulationen und an realer Hardware vorgenommenen Messungen untermauert. <BR><BR><BR>Bus LVDS (BLVDS) ist die Bezeichnung einer neuen Familie von Businterface-Schaltkreisen, die von National Semiconductor auf der Basis der LVDS-Technologie entwickelt wurde. Diese Serie von Schnittstellen-Bausteinen ist für die Multipoint-Kommunikation über Kabel und Backplanes optimiert. Bus LVDS unterscheidet sich von der standardmäßigen LVDS-Technik durch den höheren Treiberstrom, der wegen der in Multipoint-Applikationen erforderlichen doppelten Leitungsabschlüsse nötig ist. Verbesserungen bietet Bus LVDS auch in Bezug auf den Schutz gegen gleichzeitig applizierte Lasten und symmetrische Ausgangsimpedanz. Zur Zeit werden Transceiver, Repeater, Serialisierer, Deserialisierer und Taktverteiler angeboten. <BR>Kennzeichnend für BLVDS sind niedrige differentielle Signalamplituden von etwa ±300 mV. Damit sind Signalraten von über 400 Mbit/s je Übertragungskanal zu erreichen. Die geringe Signalamplitude trägt ebenfalls dazu bei, die Leistungsaufnahme und das Störaufkommen zu verringern. Das differentielle Datenübertragungsverfahren bietet einen ‚Common Mode‘-Bereich von ± 1V und erlaubt es, Boards während des Betriebs in den aktiven Systembus einzustecken (Hot Swapping bzw. Live Insertion). <BR>In der Vergangenheit lösten Halbleiterhersteller das Problem der Ansteuerung eines Busses, indem sie einfach den Treiberstrom von Single-Ended-Treibern herkömmlicher Logikfamilien (z.B. 244-Reihe) erhöhte. Mit den Signalamplituden der Standard-Logikbausteine und angehobenen Treiberströmen gelang es, in den Bereich von 10 bis 20 MHz vorzustoßen. Mehr war allerdings nicht möglich. Da es mit der Erhöhung des Treiberstroms nicht getan war, ging man an die nächste Verbesserung, indem man wiederum den Treiberstrom erhöhte, gleichzeitig aber die Signalamplitude reduzierte. Auf diese Weise entstand die BTL-Technik (Backplane Transceiver Logic), die als Stromsenke für bis zu 80 mA ausgelegt ist und auf einer Signalamplitude von 1 V basiert. Mit diesem Verfahren lassen sich hochbelastete Backplanes problemlos mit Signalfrequenzen im Bereich von 50 bis 66 MHz ansteuern. Es handelt sich jedoch nach wie vor um eine Single-Ended-Technik analog zu den konventionellen TTL-Schaltungen, und der Signal-Rauschabstand beträgt lediglich etwa 400 mV. Wenn die Grenze von 100 MHz überwunden werden soll, versagt die Single-Ended-Technik, da ihr Rauschabstand bereits vorher am tolerierbaren Minimum angelangt ist. <BR>BLVDS kommt ohne große Stromstärken aus. Die Signalamplitude wurde gegenüber der TTL-Technik um eine ganze Größenordnung verringert, und auch den Treiberstrom senkte man auf 10 mA. Um den Rauschabstand gegenüber den Single-Ended-Technologien mit reduzierter Signalamplitude zu vergrößern, nutzt BLVDS ein differentielles Datenübertragungskonzept ähnlich jenem der LVDS-Technik, das jedoch für den Einsatz in Multipoint-Applikationen verbessert wurde. Damit ist bei einer Signalamplitude von 300 mV ein Betrieb mit mehreren hundert Megabit pro Sekunde möglich, während der Rauschabstand verdoppelt und die Erzeugung von Störsignalen verringert wurde (Abb. 1). Durch die Gleichtaktunterdrückung der Empfängereinheiten wird auch das Einstecken von Funktionseinheiten in ein laufendes System unterstützt. <BR><BR>Buskonfigurationen<BR><BR>BLVDS-Einheiten können in Point-to-Point- und Multidrop-Applikationen zum Verteilen von Daten oder in klassischen Multipoint-Busapplikationen eingesetzt werden. Die Technik ist gleichermaßen für Datenbusse, Steuersignale oder Taktverteilungs-Aufgaben geeignet. Abbildung 2 zeigt Point-to-Point-, Multidrop- und Multipoint-Konfigurationen. Man kann die Multidrop-Anordnung als einen Sonderfall der Multipoint-Konfiguration ansehen. In Multidrop-Applikationen steuert eine Signalquelle mehrere Empfänger an. Befindet sich die Signalquelle an einem Ende des Busses, ist nur ein Busabschluss am anderen Ende des Busses notwendig. In der Multipoint-Konfiguration lässt sich die Signalquellen an einer beliebigen Stelle des Busses anordnen, sodass beide Enden des Busses mit einem Abschluss versehen werden müssen. Multidrop und Multipoint sind sinnvolle Lösungen, wenn die gleichen Informationen an eine große Zahl von Einheiten verschickt werden müssen. Auch bezüglich der Anschlussdichte ist diese Buskonfiguration sehr effizient. Für die Kommunikation mit mehr als 500 Mbit/s sollten allerdings Point-to-Point-Verbindungen, die sich durch höhere Signalqualität auszeichnen, eingesetzt werden.<BR><BR>Tipps aus der Praxis für die Praxis<BR><BR>Die nachfolgenden dreizehn Tipps geben Hinweise darauf, wie mit differentiellen Backplanes in LVDS-Technik ein Optimum an Performance erzielt werden kann. <BR><BR>Flankensteilheit<BR><BR>Das Modell einer Multipoint-Backplane wurde für eine TDR-Analyse (Time Domain Reflectometry) herangezogen, die die Auswirkungen der Flankensteilheit verdeutlichen sollte. Für die Analyse wurde das proprietäre, differentielle TDR/TDT-Simulationswerkzeug ‚Passive Signal Integrity‘ von NESA eingesetzt. <BR>Die differentielle TDR-Ansteuerung erfolgte in Slot 8 des Backplane-Modells, das insgesamt elf Slots aufwies. Die TDR-Simulationen wurden mit TDR-Anstiegszeiten von 0,3, 0,5 und 1,0 ns durchgeführt. Die Länge der Stubs (Stichleitungen) wurde ebenfalls variiert (0,5, 1,0 und 1,5 Zoll), um die signifikantesten Parameterschwankungen abzudecken. Abb. 3 zeigt die Auswirkungen der Lastimpedanz und der Flankensteilheit. Wie zu sehen ist, nähern sich die Kurven dem Wert von 28 Ohm an, das ist der Wert der Parallelschaltung beider 56 Ohm-Abschlusswiderstände. Je größer die Flankensteilheit, um so stärker sind die Modulationen im Kurvenverlauf. Während die hohe Flankensteilheit einerseits für eine hohe Übertragungsrate benötigt wird, verschärft sie andererseits die auftretenden Wellenleitungs-Effekte, deren Amplituden außerhalb der Schaltschwellen (±100 mV) bleiben sollten. <BR>Die TDR-Simulation zeigt die Struktur der Unstetigkeiten in der Multipoint-Backplane. Der bei 100 Ohm liegende Ausgangspunkt entspricht der differentiellen Impedanz des 0,5-Zoll-Stubs am Einspeisepunkt. Die erste Senke resultiert aus der Teilung der Leiterbahn und der Belastung durch die Steckverbinder. Der anschließende Wellenberg wiederum ergibt sich aus der ersten Backplane-Leiterbahn mit einer Länge, die ungefähr dem Mittenabstand der Steckplätze entspricht. Das nächstliegende Steckplatz-Paar verursacht daraufhin die zweite Senke infolge der Stubs und der Steckverbinder, die an dieser Stelle an die Backplane-Leiterbahn angeschlossen sind. Die Flankensteilheit verlangsamt sich entlang der Backplane infolge von kapazitiven Filtereffekten, Kupfer- und Dielektrikumverlusten. Die festgestellte Impedanz ergibt sich aus der Backplane-Leiterbahn, den Steckverbindern, den Stubs und den angeschlossenen Bauelementen. Der letztlich erzielte Durchschnittswert von 28 Ohm entspricht der Parallelschaltung der zuvor erwähnten Backplane-Hälften.<BR><BR>Tipp<BR><BR>Die Anstiegs- und Abfallzeiten sind die wichtigsten Parameter für Wellenleitungs-Berechnungen. Anstiegs- und Abfallzeiten unter 300 ps sollten in Multidrop- und Multipoint-Applikationen vermieden werden. <BR><BR><BR>Stub-Länge<BR><BR>Auch die Auswirkungen der Stub-Längen wurden mit der TDR/TDT ‚Passive Signal Integrity‘-Methodik von NESA analysiert. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die differentiellen TDR- und TDT-Simulationen mit Stub-Längen von 0,5, 1 und 1,5 Zoll. Die TDR-Ansteuerung erfolgte mit einer festen Anstiegszeit von 0,3 ns. <BR>Einmal mehr werden die Impedanzschwankungen in der TDR-Simulation und das übermäßige Schwingen in der TDT-Simulation deutlich. Je größer die Stub-Länge, umso gravierender sind die Impedanz-Schwankungen und umso höher ist die Amplitude der Oszillationen.<BR>Die TDR/TDT-Simulationen belegen, dass die Stub-Länge der Steckkarten so gering wie möglich sein sollte. Die maximal empfohlene Länge ist 1,5 Zoll. Wie für alle Backplanes, so gilt auch hier: je kürzer die Stubs, um so besser. <BR><BR>Tipp<BR><BR>Das Minimieren der Stub-Länge verringert die Wellenleitungs-Effekte.<BR><BR>Anordnung der Schnittstellen-Bauelemente<BR><BR>Um die in den TDR- und in den TDR/TDT-Simulationen bezüglich der Stub-Länge zu Tage getretenen Wellenleitungs-Effekte zu mindern, sollten die Schnittstellen-Bauelemente im Hinblick auf eine möglichst kurze Stub-Länge platziert werden. Wird diese einfache Empfehlung befolgt, lassen sich zahlreiche Wellenleitungs-Effekte vermeiden. <BR><BR>Tipp<BR><BR>Die Transceiver (Multipoint) bzw. Empfänger (Multidrop) sind möglichst nahe am Steckverbinder zu platzieren. Außerdem sollten beide Seiten der Leiterplatte genutzt werden, um die Stub-Länge möglichst kurz zu halten. <BR><BR>Differentielle Impedanz<BR><BR>Der von NESA stammende zweidimensionale ‚Method-of-Moments‘-Field Solver (MoM) wurde benutzt, um die geometrischen Parameter für die differentielle Impedanz zu bestimmen. Als Geometrie wurden die der Länge nach gekoppelten differentiellen Wellenleitungen gemäß Abb. 6 gewählt. <BR>Für BLVDS werden Leitungspaare mit einer differentiellen Impedanz von 100 Ohm gefordert. Diese Impedanz lässt sich mit der nachfolgend vorgeschlagenen Geometrie verwirklichen. Aus den MoM-Berechnungen ergibt sich, dass Leiterbahnen mit einer Dicke von 1 oz und einer Breite W von 7 mil sowie einer Dielektrikum-Stärke H1=H2=H3 von12 mil bei Verwendung von ‚FR4‘-Material genau die geforderte differentielle Impedanz von 100 Ohm aufweisen. Wird als Abstand zwischen den Leiterbahn-Paaren ein Mindestwert von 20 mil eingehalten, hält sich die Differenz- und Gleichtakt-Kopplung zwischen den Leiterpaaren auf einem sehr geringen Niveau. Diese Leiterbahnstruktur hat den Vorteil, dass die enge Bündelung der Leiterbahnen auch beim Durchlaufen eines Steckverbinder-Feldes beibehalten werden kann. <BR><BR>Tipp<BR><BR>Die Verwendung eng gekoppelter Leiterbahnen bietet die Gewähr, dass jegliches Rauschen als Gleichtakt-Signal auftritt und von den Empfängern unterdrückt wird. Außerdem wird das Ausmaß der abgestrahlten Störungen begrenzt. <BR><BR><BR>Fazit<BR><BR>Die BLVDS-Technik leitet ein neues Zeitalter für leistungsstarke Multipoint-Backplanes ein. Die Multipoint-Konfiguration ist sehr effizient, da sie mit einem minimalen Verbindungsaufwand die Kommunikation zwischen allen Karten ermöglicht. Dieser Vorteil stellt jedoch gleichzeitig eine Einschränkung dar, denn die Vielzahl der von den Haupt-Busleitungen abzweigenden Stichleitungen sind aufgrund der Wellenleitungs-Effekte problematisch für die Signalqualität. Hinzu kommt, dass die Kommunikation zwar bidirektional, aber nur im Halbduplex-Verfahren möglich ist. Verglichen mit früheren Generationen von Multipoint-Backplanes weist die BLVDS-Technik erhebliche Vorteile auf. Mittlerweile sind Datenraten im Bereich von 100 bis 400 Mbit/s möglich. Dies bedeutet eine Vervierfachung gegenüber BTL- oder GTL+-Anwendungen und eine Verzehnfachung verglichen mit TTL-Treiberapplikationen. Die Leistungsaufnahme verringert sich entscheidend infolge der mit geringen Strömen arbeitenden Treiber, des Einsatzes der CMOS-Technologie und der niedrigen Versorgungsspannung.<BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>