Giao diện nối tiếp tốc độ cao dùng cho các ứng dụng di động - Gerrit W. den Besten

Giao diện nối tiếp tốc độ cao dùng cho các ứng dụng di động trình bày về giải pháp giao diện cổng nối tiếp (serial) tốc độ cao công suất nguồn hiệu quả, mục đích dùng trong việc vận hành nguồn pin của các thiết bị di động hoặc cầm tay. Ở tài liệu này, kể cả cơ chế thu phát và giao thức tín hiệu đều được trình bày.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giao diện nối tiếp tốc độ cao dùng cho các ứng dụng di động - Gerrit W. den Besten GIAO DIỆN NỐI TIẾP TỐC ĐỘ CAO DÙNG CHO CÁC ỨNG DỤNG DI ĐỘNG Tác giả: Gerrit W. den Besten NXP Semiconductors Research Eindhoven (NL) gerrit.den.bes ten@nxp.com Tóm tắt: Tài liệu này trình bày về giải pháp giao diện cổng nối tiếp (serial) tốc độ cao công suất nguồn hiệu quả, mục đích dùng trong việc vận hành nguồn pin của các thiết bị di động hoặc cầm tay. Ở tài liệu này, kể cả cơ chế thu phát và giao thức tín hiệu đều được trình bày. Tín hiệu vi phân tốc độ cao và CMOS được kết hợp trên cùng một mạch điện. Kênh tín hiệu bao gồm đường truyền quản lý các thành phần công suất và cung cấp các cơ chế giao tiếp đa dạng nhằm tương tích một cách hiệu quả đối với các nhu cầu băng thông. Giao diện này được thiết lập trong CMOS 65nm và kết quả đo lường được trình bày ở phần sau. 1. Giới thiệu Việc nhu cầu về băng thông trên giao diện và giảm số lượng pin, là một quá trình chuyển đổi từ đường truyền CMOS cổ điển sang giao diện Serial tốc độ cao. Đặc biệt cho các kết nối truyền dữ liệu qua những cấu trúc phức tạp như điện thoại di động, đòi hỏi một giao diện nhỏ gọn và linh hoạt. Đối với các thiết bị di động, tiêu thụ điện năng là vấn đề vô cùng quan trọng, cần phải được ứng dụng những giải pháp mới hơn là sử dụng những tiêu chuẩn hiện tại. Bên cạnh giá trị kỹ thuật, một chuẩn giao diện mới trong lĩnh vực này giúp làm giảm nhu cầu đa dạng về giao diện, kích thích khả năng tương thích IC của nhiều hãng khác nhau và cho phép tiếp cận hệ thống dưới dạng module. Những thành phần xây dựng cho sự phát triển này được định nghĩa theo chuẩn công nghệ lớp vật lý [1]. Tài liệu này bắt đầu từ việc phân tích các dạng tính hiệu, băng thông, công suất, kết cấu IO, và sự lựa chọn triển khai (Sections 1-4). Kết quả theo kết cấu IO là điểm khởi đầu nhằm giới thiệu một giải pháp hoàn chỉnh cho lớp vật lý bao gồm cả giao thức về tín hiệu (Sections 5-8). Kết quả đo lường và kết luận được trình bày tại Mục 9 và 10 bên dưới. Trang 1/18 Giải pháp giao diện Serial hoàn toàn tối ưu phù hợp cho ứng dụng như camera, màn hình, và các thiết bị cầm tay di động khác với nhu cầu về băng thông thay đổi từ IC đến IC (chip to chip) và từ bảng mạch đến bảng mạch (board to board). 2. Cơ chế Quasi - tĩnh so với tín hiệu đường truyền Nhiều năm qua, tín hiệu bất tận rail-to-rail trên CMOS đã và đang là công nghệ chiếm ưu thế trên giao diện cho ứng dụng di động vì điện năng tiêu thụ tĩnh bằng 0 và sự đơn giản trong phần cứng. Tuy nhiên dựa trên giả thuyết Quasi-tĩnh [2], việc không mất thời gian quảng bá tín hiệu thì không thể đáp ứng được nữa theo yêu cầu của băng thông với số lượng dây dẫn hợp lý. Hơn nữa, với CMOS IO các đường dòng điện hồi tiếp không phải luôn luôn gần với tín hiệu ngõ đơn kết thúc mà có thể tạo ra vòng lặp đáng kể. Nó có thể tạo ra các vấn đề về nhiễu từ EMI đặc biệt là các dòng điện tăng đột biến liên quan đến các tín hiệu CMOS (xem hình số 1). Khi thời gian quảng bá tín hiệu tương đương với độ lớn (1/5 hoặc lớn hơn) thời gian truyền tải tín hiệu (chú ý, không phải thời gian bit (bit time)), các đường liên kết trung gian cho truyền tín hiệu phải được xem như là đường truyền dẫn và những đường này phải được kết cuối nhằm đảm bào tính toàn vẹn của tín hiệu. Vì thế, việc các đường dẫn có thể được thực hiện từ yêu cầu tốc độ cao và/hoặc khoảng cách xa hơn. Đối với tín hiệu giới hạn ở tỉ lệ rất thấp, giới hạn cho giả thuyết quasi-tĩnh được mô tả sơ lược như [3]: Tốc độ[Gbps]xkhoảng cách[cm]=2 (Speed[Gbps] x Distance[cm] = 2). Ví dụ: một đường link serial > 100Mb/s với chiều dài >20cm, kết cuối là nhu cầu ít nhất nếu không cần thiết. Tuy nhiên, việc kết cuối đường truyền tiêuthụ điện năng tĩnh. Điện năng tiêu thụ có thể giảm nhờ dao động tín hiệu thấp hơn. Tín hiệu tức thời (vi phân) cho phép một dao động rất nhỏ, nhờ phát hiện dễ dàng giá trị tức thời zero-cros sings trong khi nó cũng làm giảm kích cỡ vật lý cho vòng lặp dòng điện tạo thuận lợi cho việc giảm nhiễu EMI. 3. Công suất Trong các mạch CMOS không kết cuối thông thường, chi phí năng lượng là “trả theo bit” (pay per bit) (thật ra là theo truyền tải – actually per transition), được xác định bằng việc nạp và xả từ đường kết nối liên kết và thiết bị được kết nối. CMOS điện thế thấp (LVCMOS) IO có năng lượng rất hiệu quả cho link ngắn, nhưng năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với khoảng cách. Hơn nữa tốc độ đạt được tỉ lệ nghịch với khoảng cách, vì vậy giải pháp này trở nên không thích hợp cho giao diện băng thông rộng vì nó đòi hỏi tính song song cao. Trang 2/18 Nhằm mục đích so sánh hiệu quả công suất có thể xem xét giá trị: Năng lượng/Bit bằng với Tỉ lệ Công Suất/Tốc độ: pJ/bit=mW/Gbps. (Energy/Bit metric = Power/Speed ratio: pJ/bit=mW/Gbps ) Đối với đường truyền tốc độ cao được kết cuối, một thành phần phụ của công suất tiêu thụ được cố định dựa trên điểm cuối của đường dây và mạch biến thiên toàn phần, vì thế hao phí năng lượng được tính trên “theo thời gian” (pay-per-time). Hình số 1 mô tả 2 trường hợp này: Hình 1: So sánh giữa tín hiệu CMOS không kết cuối và truyền dẫn thay đổi tốc độ cao Để đạt hiệu quả công suất cho các link kết cuối (vi phân), năng lượng cố định này có thể được khai thác tối ưu bằng cách truyền tải tối đa số lượng bit theo thời gian khi vận hành. Điều này có nghĩa là tối ưu hóa băng thông có thể có được trong dữ liệu tốc độ cao bộc phát và kết thúc đường truyền trong khoảng thời gian còn lại thể hiện nguyên lý truyền tải dạng gói. Khoảng thời gian mào đầu bổ sung cho việc khởi động và dừng đường truyền cũng ảnh hưởng đến toàn bộ hiệu quả năng, do đó ...