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개발 칼럼

LVDS SerDes의 기본 원리를 설명, 고속, 장거리, 저노이즈의 특징을 살리다

액정 패널과 로직보드 간을 접속하는 시리얼 인터페이스. 본 연재의 제1회에서는, 그 역사를 돌아보며, 기술의 변천과 성능 향상의 발자취, 어플리케이션의 변화 등을 해설했다. 이번 제2회에서는, LVDS(Low voltage differential signaling) 기술에 초점을 맞춰, 그 기본 원리와 특징, 입수 가능한 제품 등에 대하여 설명한다.

컴퓨터 시장을 15년 이상 지탱하다.

LVDS(Low voltage differential signaling) 기술은 시리얼 인터페이스의 역사를 개척해 온 존재라고 말해도 과언이 아니다. 1990년대 중반에 시장이 급속히 확대한 노트북에 채용되어, LVDS SerDes(Serializer / Deserializer)의 출하 물량은 단숨에 늘었다. 노트북의 세계적인 보급에 LVDS가 한몫을 하고, 액정 모니터의 시장 구축에 크게 기여한 것은 틀림없는 사실이다.

노트북용 LVDS SerDes는 그 뒤, 컴퓨터용 칩셋이나 액정 타이밍 컨트롤러 IC(TCON)에 집적되고, UXGA나 WUXGA와 같은 높은 해상도의 액정 패널에 대응함으로써, 15년 이상 계속 사용되어 왔다. 노트북에서는 2012년경부터 eDP(embedded DisplayPort)로 서서히 대체되고 있다. 그러나 LVDS SerDes는 최근까지 노트북 시장을 계속 지탱해온 존재인 것이다.

그렇다고 LVDS SerDes가 액정 패널과 로직보드를 접속하는 「전용」인터페이스 기술이라는 것은 아니다. 그 기술의 내용을 보면 일목요연하지만, A점과 B점을 연결하는 일반적인 시리얼 인터페이스 기술이다. 그래서 다양한 인터페이스 용도로 사용할 수 있다. 어떤 용도로 어떻게 사용하면 LVDS SerDes의 성능을 충분히 끌어낼수 있을까. 이하에서 설명한다.
 

고속 데이터 전송에서 활용

LVDS SerDes를 잘 다루려면, 먼저 물리층인 LVDS 기술을 이해할 필요가 있다.
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LVDS는 1995년에 「ANSI/TIA/EIA-644」로 표준 규격화된 시리얼 인터페이스용 물리층 사양이다(Fig.1). 3.5mA의 정전류원에서 구동하며, 100Ω 종단 시에 350mV라는와 매우 낮은 진폭의 차동 신호로 데이터를 고속 전송한다. 데이터 전송 속도는 표준 규격에서, 최대 655Mbps로 규정되어 있다. 그러나, 이것이 한계치는 아니다. 반도체 업체들이 독자적인 연구를 거듭하여, 3Gbps 정도로 높은 데이터 전송 속도를 커버할 수 있게 되었다.

LVDS의 차동 신호 파형의 구체적인 예가 Fig.2이다.
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2개의 차동 신호인 Positive 신호(A+)와 Negative 신호(B−)를 1.2V의 공통 모드 전압(Voc)을 중심으로 2개 신호 간을 350mV의 전위차에서 스윙한다. 또한, 오실로스코프의 차동 프로브에서 측정하면, Fig.2와 같은 신호 파형을 얻을 수 있다. 이는, 2개 신호의 진폭차((A+)−(B−))이다. 차동 프로브에서 측정하면, 진폭 차의 계산 결과가 표시된다. 그러나, 이러한 신호 파형이 물리적으로 존재하는 것은 아니다.
Fig.3은 LVDS 리시버의 공통 모드 전압 범위이다.
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이 그림에서 보듯이, LVDS 리시버는 수신 가능한 공통 모드 전압 범위가 넓다. 송신(transmitter) 쪽은 1.2V의 공통 모드 전압으로 출력하지만, 수신(receiver) 쪽은 공통 모드 전압이 0.2~2.2V 범위라면 신호를 받을 수 있다.
게다가, LVDS SerDes는, 저진폭의 차동 신호에서 데이터를 전송하기 때문에, 불요복사(EMI:Electro-Magnetic Interference)가 억제된다. EMI가 다른 회로에 혼입되어 악영향을 주는 등의 사태를 방지할 수 있는 것이다. 이것이 노이즈에 민감한 전자기기에 채용된 이유 중 하나이다.

zoom즉, LVDS SerDes는 고속 데이터 전송이 가능하고, 데이터를 장거리 전송 가능하며, 공통 모드 전압 내성이 높고, 불요복사가 적다는 장점을 갖추고 있다. 최적의 용도는 이러한 장점을 필요로 하는 전자기기라고 할 수 있다. 예를들면, 복합기(MFP)이다. 
 

LVDS SerDes는 MFP에서 액정 표시용 인터페이스 외에도, 스캐너(이미지 센서)에서 취득한 영상 데이터를 영상 처리를 실행하는 메인보드에 보내는 용도로 사용되고 있다. 장치 안은 비교적 거리가 있다(Fig.4). LVDS SerDes라면, 스캐너와 메인보드가 떨어져 있어도 문제가 없다. 사용하는 케이블의Skew나 전력 손실의 크기에 따라 다르지만, 가느다란 케이블로 몇m 정도는 문제 없이 전송할 수 있기 때문이다. 케이스 내에서 고속 데이터 전송이 필요한 전자 기기에서는, 이처럼 LVDS SerDes가 활용되고 있다.
 

Skew와 공통 모드 전압에 강하다

현재, LVDS SerDes는 다양한 제품을 구할 수 있다. 자인 일렉트로닉스의 제품군을 예로 들어 구체적으로 소개한다.
Fig.5는 LVDS SerDes의 기본 구성이다.
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Serializer에 대한 입력 신호는, 데이터가 7 Bit × 4 Line=28 Bit이다. 이들 데이터를 시리얼 LVDS 신호로 변환하여 Deserializer로 보낸다. 덧붙여서, Clock 신호도 별도로 보낸다. Deserializer에서는 받은 Clock 신호를 사용해 타이밍을 조정하여 데이터를 수신하고, 7 Bit × 4 Line의 LVDS 신호를 TTL/CMOS 데이터로 변화하여 출력하는 구조이다. 자인 일렉트로닉스가 제공하고 있는 LVDS SerDes의 특징으로는, 이하 6가지를 꼽을 수 있다(Table1).
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1번째는, 3.3V 동작의 일반적인 제품 외에, Serializer의 LVDS 규격을 준수하면서 1.8V의 저전압 동작품도 준비하고 있는 것이다. 통상, 전원 전압을 저하시키면, LVDS 규격에 규정된 1.2V의 출력 공통 모드 전압(Voc)을 지키는 것이 어려워진다. 경쟁사의 저전압품에서는 Voc가 1.2V 보다도 낮아지는 것이 적다. 그러나, 자인 일렉트로닉스의 「THC63LVDM87」나 「THC63LVD827」은, 1.8V 동작의 저전압화를 실현하는 동시에, 출력 공통 모드 전압(Voc)을 수신측의Deserializer에 최적인 1.2V를 유지하고 있다.

2번째는, 싱글링크와 듀얼링크에 대응한 각종 제품을 라인업하고 있다는 것이다. 예를들어, RGB 각 10 Bit의 영상 신호 전송에 대응하는 싱글링크의 Serializer 「THC63LVD103D」와 Deserializer 「THC63LVD104C」의 듀얼링크 버전이 Serializer 「THC63LVD1023B」와Deserializer 「THC63LVD1024」가 된다. 듀얼 제품을 사용하면, 데이터 전송 대역을 간단하게 넓힐 수 있다. 예를 들면, 싱글 제품에서는 1080I까지 밖에 대응할 수 없지만, 듀얼 제품을 사용하면 1080P에 대응할 수 있게 된다. 게다가, RGB 각 8 Bit의 듀얼 제품도 준비하고 있으며, 구체적인 제품에는 Serializer 「THC63LVD823B」와 Deserializer 「THC63LVD824A」 등이 있다. 이들 제품은 기판 간이나 케이스 내의 버스 폭이 넓은 데이터 통신 용도에 적용 가능하다.

3번째는, 데이터를 취득하는 타이밍을 상승엣지와 하강엣지 중 하나를 선택할 수 있는 제품을 준비하고 있는 것이다. 액정 패널 등의 용도는 하강엣지를 이용하지만, 일반적인 데이터 전송에 사용하는 시리얼 인터페이스에서는 상승엣지를 사용한다. 제품번호에 LVDR의 「R」이 붙는 제품은 상승엣지에, LVDF의 「F」가 붙는 제품은 하강엣지에 대응한다. 「LVDM」나 「LVD」가 붙는 제품은 양쪽에 대응하며, Pin 설정으로 어느 한쪽을 선택할 수 있다.

4번째는, Repeater IC도 제품화하고 있는 것이다. 제품번호는 「THC63LVD1027」이다. Repeater IC를 사용하면, LVDS SerDes에서 출력된 신호를 수신하고, 케이블 등에서 발생한Skew나 Jitter를 흡수하며, 전압축과 시간축도 이상적인 상태로 정형한 LVDS 신호를 다시 전송할 수 있게 된다(Fig.6).
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이렇게 함으로써, 데이터의 전송 거리(케이블 길이)를 대폭 늘릴 수 있다. 전송로의 중간에 둠으로써 전송 거리(케이블 길이)는 2배로 늘릴 수 있다. 또, 지금까지 어려웠던 1채널의 영상 신호 입력을 2채널로 분배하여 출력하는 LVDS SerDes의 신호 분배도 가능하게 된다. (Fig.7).
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5번째는, 대응하는 Clock 주파수 범위가 8M~160MHz로 넓다는 것이다. 예를들어, 「THC63LVD103D」 등이 넓은 Clock 주파수 범위에 대응한다. 주파수 범위가 넓으면, 다양한 병렬 버스에 적용할 수 있게 된다. 그만큼 설계 유연성이 높아지는 셈이다.

6번째는, LVDS의 출력을 더 낮은 진폭으로 하는 제품을 준비하고 있다는 것이다. 앞서 설명한 것과 같이, LVDS SerDes는 일반적으로, 3.5mA의 전류원과 100Ω의 종단 저항을 사용한다. 이 때문에 진폭은 350mV가 된다. LVDS 저진폭 모드의 RS(Reduce Swing)를 사용하면 진폭을 200mV로 저감할 수 있다. 이 때문에 EMI를 억제하여 저소비 전력화도 가능하게 되는 셈이다.

그 외, 카메라 모듈 등의 소형 전자기기에 탑재하기 위하여 실장 면적이 5mm×5mm로 작은 49 Pin VFBGA패키지를 준비하고 있는 것과 차량기기 등을 위하여 동작 온도 범위가 −40~+105℃로 넒은 제품을 준비하고 있는 것도 특징으로 꼽을 수 있다.

위와 같이, 자인 일렉트로닉스는 수많은 LVDS SerDes 제품을 준비함으로써, 다양한 어플리케이션에 대응할 수 있게 하고 있다. 그러나, LVDS SerDes만으로는 모든 시리얼 인터페이스를 커버할 수 없다. 4K의 2배속과 딥컬러, 8K와 같은 고해상도 신호, 또 고속 전송 거리가 필요한 어플리케이션에 대응하기는 어렵다. 그래서 자인 일렉트로닉스에서는 고속 시리얼 인터페이스 기술인 「V-by-OneⓇ HS」를 준비하고 있다. 다음 3번째에서는 V-by-OneⓇ HS의 기본 원리와 제품 라인업 등을 해설한다.
 

※각Flg. 보충 설명

Flg.6 LVDS Repeater IC 사용 예(1)
듀얼 채널 대응한 LVDS SerDes Repeater IC 「THC63LVD1027」 사용 예. 전송로의 중간에 넣어서, 전송 거리를 늘린다.

Flg.7 LVDS Repeater ICの使用例(2)
듀얼 채널 대응한 LVDS SerDes Repeater IC 「THC63LVD1027」 사용 예. 1채널의 영상 입력을 2채널로 분배하여 출력하는 1대 2의 신호 분배에 사용한다.

 

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