THine Value LVDS SerDesの基本原理を詳説、 高速、長距離、低ノイズの特徴を生かす

2017.10.10
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液晶パネルとロジック・ボードなどの間を接続するシリアル・インターフェース。本連載の第1回目では、その歴史を振り返り、技術の変遷や、性能向上の歩み、アプリケーションの変化などを解説した。第2回目となる今回は、LVDS(Low voltage differential signaling)技術に焦点を当て、その基本原理や特徴、入手可能な製品などについて詳説する。

パソコン市場を15年以上支える

LVDS(Low voltage differential signaling)技術は、シリアル・インターフェースの歴史を切り拓いてきた存在と言って過言ではない。1990年代の中盤に、市場が急拡大しつつあったノート・パソコンに採用され、LVDS SerDes(シリアライザ/デシリアライザ)の出荷数量は一気に増えた。ノート・パソコンの世界的な普及に、LVDSが一役買い、液晶モニターの市場立ち上げに大きく貢献したことは間違いない事実だろう。

ノート・パソコン向けLVDS SerDesはその後、パソコン用チップセットや液晶タイミング・コントローラIC(TCON)に集積され、UXGAやWUXGAといった高い解像度の液晶パネルに対応することで、15年以上使われ続けてきた。ノート・パソコンでは2012年頃から、eDP(embedded DisplayPort)に徐々に置き換えられつつある。しかしLVDS SerDesは、最近までノート・パソコン市場を支え続けてきた存在なのである。

だからと言って、LVDS SerDesは、液晶パネルとロジック・ボードを接続する「専用の」インターフェース技術というわけではない。その技術の中身を見れば一目瞭然だが、A点とB点をつなぐ一般的なシリアル・インターフェース技術なのである。従って、さまざまなインターフェース用途で使うことができる。どのような用途で、どのように使えば、LVDS SerDesの性能を十分に引き出すことができるのか。以下で、説明していこう。
 

高速なデータ伝送で活用

LVDS SerDesを使いこなすには、まず物理層であるLVDS技術を理解する必要がある。
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LVDSは1995年に「ANSI/TIA/EIA-644」として標準規格化されたシリアル・インターフェース向け物理層仕様だ(図1)。3.5mAの定電流源で駆動し、100Ω終端時に350mVと非常に低い振幅の差動信号でデータを高速伝送する。データ伝送速度は標準規格の中で、最大で655Mビット/秒と定められている。しかし、これが限界値というわけではない。半導体メーカー各社が独自の工夫を盛り込むことで、3Gビット/秒程度と高いデータ伝送速度をカバーできるようになっている。

LVDSの差動信号波形の具体例が図2である。
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2本の差動信号であるポジティブ信号(A+)とネガティブ信号(B−)を、1.2Vのコモンモード電圧(Voc)を中心に、2つの信号の間を350mVの電位差でスイングさせる。なお、オシロスコープの差動プローブで測定すると、図2のような信号波形が得られる。これは、2つの信号の振幅差((A+)−(B−))である。差動プローブで測定すると、振幅差の計算結果を表示される。しかし、こうした信号波形が物理的に存在しているわけではない。
図3は、LVDSレシーバーのコモンモード電圧範囲である。
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この図から分かるように、LVDSレシーバーは、受信可能なコモンモード電圧範囲が広い。送信(トランスミッタ)側は、1.2Vのコモンモード電圧で出力するものの、受信(レシーバ)側はコモンモード電圧が0.2~2.2Vの範囲であれば信号を受けることができる。
さらに、LVDS SerDesは、低振幅の差動信号でデータを伝送するため、不要輻射(EMI:Electro-Magnetic Interference)を抑えられる。EMIがほかの回路に混入して悪影響を与えるなどの事態を防げるわけだ。これがノイズに敏感な電子機器で採用される理由の一つである。

zoomつまりLVDS SerDesは、高速データ伝送が可能で、データを長距離伝送でき、コモンモード電圧耐性が高く、不要輻射が少ないといったメリットを備えている。最適な用途は、こうしたメリットを必要とする電子機器だといえるだろう。例えば、複合機(MFP)である。
 

LVDS SerDesはMFPの中で、液晶表示用のインターフェースのほかにも、スキャナー(イメージ・センサー)で取得した画像データを、画像処理を実行するメイン・ボードに送る用途で使われている。装置内は比較的距離がある(図4)。LVDS SerDesであれば、スキャナーとメイン・ボードが離れていても問題ない。使用するケーブルのスキューや電力損失の大きさにもよるが、細いケーブルで数m程度は問題なく伝送できるからだ。筐体内で高速データ伝送が必要な電子機器では、このようにLVDS SerDesが活用されている。