Analog Devices
Galvanisch getrennte LVDS-Schnittstellen für Industrie 4.0
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Die Lösung von Analog Devices
Heutzutage sind bereits diverse Produkte zur Realisierung isolierter LVDS-Schnittstellen auf dem Markt. Eine effiziente und zuverlässige Lösung bietet Analog Devices mit seinen isolierten LVDS-Bausteinen ADN4650, ADN4651 und ADN4652, die Datenraten von bis zu 600 MBit/s unterstützen, was zugleich auch den Standardwerten nicht-isolierter LVDS-Schnittstellen entspricht. Im Vergleich dazu erreichen digitale Standardisolatoren gerade einmal 150 MBit/s. Die trotz vorhandener Isolierung sehr hohen Datenraten sind wegen der »iCoupler«-Technologie möglich. Hierbei handelt es sich um eine mikro-elektromechanische (MEMS) Nachbildung eines Transformators, die eine einfache, platzsparende Isolation digitaler Signale ermöglicht.
Die LVDS-Bausteine bieten ferner ein präzises Zeitverhalten und ein extrem geringes Jitter, auch »Taktzittern« genannt. Unter Jitter ist ein Prellen beim Flankenwechsel der digitalen Signale zu verstehen. Bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten ist ein geringes Jitter sehr wichtig, weil die Übertragungsdauer für ein Bit bei 600 MBit/s gerade einmal 1,6 ns beträgt. Jegliches Jitter beim Flankenwechsel der Signale muss dem A/D-Wandler genügend Zeit für den eigentlichen High- bzw. Low-Pegel erlauben, damit die Abtastung korrekt erfolgen kann. Die typischen Jitter-Werte der ADN465x-Bausteine liegen bei 70 ps. Darüber hinaus bieten die LVDS-Bausteine zwei isolierte LVDS-Kanäle, von denen beim ADN4651 je einer den Sende- und einer den Empfangskanal bildet. Beim ADN4652 sind die Kanäle invers zum ADN4651 angeordnet, wohingegen der ADN4650 je nach Beschaltung nur Sende- bzw. Empfangskanäle bietet.
Intern arbeiten die ADN465x-Bausteine mit einer Versorgungsspannung von 2,5 V, die in vielen industriellen Systemen anders als 3,3 V leider nicht zur Verfügung steht. Aus diesem Grund wurden in die ADN465x-Bausteine Low-Dropout-Spannungsregler (LDOs) integriert, die eine äußere Versorgungsspannung von 3,3 V an den Eingängen erlauben. Die Versorgung des Bausteins bzw. von dessen Eingangs- und isolierter Ausgangsseite kann beispielsweise mit dem isolierten DC/DC-Wandler ADuM5000 erfolgen. Dieser erzeugt eine isolierte Ausgangsspannung von entweder 5 oder 3,3 V, bei einer maximalen Ausgangsleistung von 500 mW. In Abbildung 1 wird eine derartige Schaltungsanordnung dargestellt.
Gemeinsam mit dem ADuM5000 lassen sich die zahlreichen Anforderungen heutiger industrieller Anwendungen an isolierte LVDS-Schnittstellen erfüllen. Zudem bietet eine derartige hochintegrierte Lösung alle Voraussetzungen für eine standardisierte Buskommunikation. LVDS-Schnittstellen kommen häufig in energiesparenden Anwendungen zum Einsatz. Dafür bildet der ADN4651 gemeinsam mit dem ADuM5000 im Vergleich zu traditionellen Optokoppler-Lösungen eine stromsparende Alternative. Oft ebenso gefordert ist die gleichzeitige Isolation mehrerer Kanäle. Bei LVDS-Anwendungen werden Kanäle parallel genutzt, um die Durchsatzrate und damit die Baudrate zu maximieren. Die erläuterte Schaltung mit den erwähnten Bausteinen von Analog Devices bietet eine vierkanalige Isolierung, zwei Sende- und zwei Empfangskanäle. Dies erlaubt die Signalübertragung mittels zweier kompletter Sende- und Empfangskanäle auf einer einzigen Elektronik, und zwar bei sehr hohen Übertragungsgeschwindigkeiten.
Die Datenraten von nahezu DC bis hin zu 600 MBit/s sind mit den ADN465x-Bausteinen problemlos zu erreichen, vorausgesetzt die Spezifikationen für die maximale Pulsbreitenverzerrung werden eingehalten. Zusätzlich sind beim Layout einige Dinge zu beachten, die für die Übertragung von Differenzsignalen bei hohen Geschwindigkeiten erforderlich sind. So sollten die eingangs- und ausgangsseitigen Leiterbahnen aufeinander abgestimmt sein und eine Impedanz von etwa 50 Ohm gegen Masse bzw. 100 Ohm zwischen den Signalleitungen aufweisen. Ferner empfiehlt es sich, Abschlusswiderstände von 100 Ohm an den LVDS-Eingängen anzubringen, wie dies in Abbildung 2 dargestellt ist.
Auch die Kabellänge und die Art des Steckverbinders haben Einfluss auf die maximale Datenrate. Geringere Datenraten bis zu 200 MBit/s in Kombination mit Steckverbindern für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten sowie geschirmten Doppelleitungen erlauben sogar Kabellängen von mehreren Metern.
Thomas Brand ist Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.
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