CC BY
127144 интерфейс пользователя www.finestreet.ru
^ш
TLDS — новый последовательный интерфейс для TFT-дисплеев
Александр САМАРИН
Во многих приложениях, где требуется передача данных с большими скоростями, используется дифференциальный метод передачи сигналов. Дифференциальный метод имеет много преимуществ — большую помехоустойчивость, большую полосу по сравнению с обычной несимметричной однопроводной системой передачи сигналов и малый уровень ЭМИ. Однако полученные преимущества достаются увеличением цены канала, поскольку для дифференциальной системы требуются дополнительные проводники.
Для снижения удельной стоимости соединений по отношению к скорости передачи применяются различные методы, в частности псевдодифференциальная система последовательного канала с амплитудной модуляцией PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation). Для передачи данных в PAM-4 используется 4 уровня напряжений. Эта система схемотехнически более сложная и к тому же имеет больший уровень ЭМИ. Интерфейс TLDS имеет более высокую битовую эффективность по отношению к обычной дифференциальной системе, имеет значительно меньшую стоимость реализации, чем у PAM-4, сохраняя при этом все преимущества дифференциальной передачи сигналов.
Проблемы реализации внутреннего дисплейного интерфейса для технологии COG
Развитие рынка TFT-дисплеев потребовало новых технологий для того, чтобы иметь ресурсы для снижений цены дисплейных панелей. Одним из путей для снижения стоимости сборки панелей является применение технологии COG (Chip On Glass). В данной технологии столбцовые драйверы монтируются непосредственно на нижнюю стеклянную подложку ЖК-панели. Сокращение цены достигается за счет устранения промежуточных носителей кристалла столбцовых драйверов типа TCP (Tape Carrier Package) или COF (Chip On Film). В этом случае из конструкции ЖК-панели исключается и печатная плата, на которой монтируются кристаллы столбцовых драйверов на носителях TCP или COF.
Одной из проблем, возникающих при реализации технологии COG, является трассировка соединений между микросхемами драйвера. Соединения представлены тремя группами проводников — интерфейс загрузки данных, шина питания и шина опорных
напряжений. Во-первых, электрические характеристики металлических пленочных проводников, реализованных на стеклянной подложке, значительно хуже с позиции передачи высокочастотных сигналов, чем характеристики проводников на печатной плате или же полиамидной пленке. Во-вторых, из-за меньшей свободной площади на стеклянной подложке резко сокращается возможность трассировки большого числа соединительных проводников. И в-третьих, реализация многослойной трассировки и межслойных переходов требует усложнения технологии. Еще одна проблема — высокое последовательное сопротивление линий питания и шин опорных источников напряжений гамма-коррекции для ЦАП столбцовых драйверов.
Для преодоления части этих проблем и была предложена технология TLDS в качестве нового внутреннего дисплейного интерфейса.
TLDS (Ternary Lines Differential Signaling) — новая концепция трехпроводной дифференциальной передачи сигналов для реализации интерфейса микросхем строчных драйверов, монтируемых по технологии COG в TFT-дисплеях среднего и большого размеров. При добавлении к данной технологии системы ECDL (Embedded Clock Data Lines) эта концепция становится еще более привлекательной.
Концепция TLDS
На рис. 1 показана концепция последовательного интерфейса TLDS. Основным отличием от обычной дифференциальной системы передачи является использование трех проводников в комбинации с применением трех уровней напряжений вместо двух. Число состояний, которые могут быть представлены системой дифференциальных сигналов на трех проводниках, равно 6. На рис. 1 приведены 6 возможных различных дифференциальных состояний трехпроводной системы
передачи данных. Данное число получено следующим образом: между тремя проводниками возможны три варианта протекания тока: между первым и вторым, вторым и третьим и третьим и первым, а если учесть направление протекания тока, то число комбинаций увеличится в два раза.
Рассмотрим работу элементов трехпроводной дифференциальной системы передачи данных. Например, в состоянии SPS выходной ток передатчика проходит по проводнику P, затем через резисторы входных цепей приемников P и S и втекает через проводник S в цепь передатчика S. Протекание тока по такому пути обусловлено тем, что напряжение на проводнике P больше, чем напряжение на проводнике S. При этом напряжение на проводнике T автоматически, за счет смешения на резисторах, поддерживается на уровне половины разности напряжений VP-VS и ток через проводник T в данном состоянии не протекает. Приемник определяет состояние SPS путем сравнения трех напряжений на резисторах R с помощью компараторов.
Плотность кодирования для интерфейса TLDS составляет log26 = 2,58 на бит. TLDS имеет более высокую битовую плотность кодирования, чем плотность кодирования в обычной дифференциальной двухпроводной системе передачи. В таблице 1 дано сравнение основных характеристик для обычной дифференциальной системы передачи сигналов, PAM-4 и TLDS.
Метод PAM-4 предоставляет самую большую плотность кодирования, однако имеет и самый меньший размах рабочих уровней напряжений, а цена его реализации гораздо выше, чем у обычного метода и TLDS. Метод TLDS имеет промежуточные значения по битовой эффективности и размаху рабочих напряжений. Реализация приемников интерфейса TLDS значительно проще, чем у PAM-4. Приемник TLDS состоит из 3 компараторов и простого декодера состояний.
Таблица 1. Сравнение трех дифференциальных технологий передачи сигналов
Тип дифференциальной системы Параметр Обычная дифференциальная система Трехпроводная дифференциальная система Дифференциальная система с PAM-4 модуляцией
Форма\кодирование 1 11
И ї Ї К 10 t
І 1 § 01 I
I 00 I
Плотность кодирования !од2^*) 1 бит 2,58 бит 2 бита
Число проводников 2 3 2
Удельная плотность кодирования бит\линия 0,5 0,86 1
Относительный размах сигналов (**) 1 0,5 0,33
(*) — N — число передаваемых двоичных состояний дифференциальной системой за один такт (**) — за одну единицу принят размах сигналов обычной двухпроводной системы
Рис. 2. Пример диаграммы передачи 3 бит данных с сигналом синхронизации
P, S, T (Primary, Secondary, Ternary — первый, второй, третий) — тройка проводов TLDS
Special Character — спецсимвол синхронизации
Spt, Sst — дифференциальные состояния между парами проводников (P и T), (S и T)
010, 011 — кодовые комбинации, соответствующие паре последовательных во времени состояний, например SpT—SsT
Zn=R
Zn=R
Z„=R
«So
Z0=R
Zn=R
Z„=R
«ST
Zn=R
Zn=R
I p
R —
l*R
state
R —і
1 S
R —
R —
state
R —і
I T
R —
l*R
l*R
> state
1 p
R Zq=R к
'*4 *
s
Vt z0=r \
Z„=R
«S
st
Z„=R
Z0=R
Z„=R
«STS»
Zn=R
A s с > J E > M— s
QC II о N r й N a II 73
Zn=R
R —
state
R —і
R —
і rVs
l*R
R ^CM -v
l*R
state
R —і
I T
R —
Рис. 1. Дифференциальные состояния трехпроводной системы передачи TLDS
P, S, T (Primary, Secondary, Ternary — первый, второй, третий) — тройка проводов TLDS
Vt, Vs, Vp — три уровня напряжений логики TLDS
STP state — одно из 6 базовых состояний трехпроводной линии передачи,
Z0 = R — выходное сопротивление передатчика равно входному сопротивлению канала приемника IxR = (Vt — Vp) = (Vp — Vs) — уровни напряжений между дифференциальными парами
интерфейс пользователя 1145
Линия данных со встроенной синхронизацией — ECDL
Метод кодирования ECDL (Embedded-Clock Data Line) позволяет передавать по трем линиям в режиме разделения времени данные вместе с сигналом синхронизации. Для того чтобы одновременно передавать по трем проводникам и данные, и сигнал синхронизации, по проводникам P и S производится передача фронтов сигнала тактирования, а по линии T — сигнала данных.
В данной схеме для передачи фронтов изменения синхросигнала используется условие, при котором сигналы VP и VS всегда изменяются в противофазе. Такой контекст позволяет приемнику легко восстановить по разности сигналов (VP-VS) фронты синхросигнала и различить фазы периода этого сигнала. Сигнал же Vt может иметь любой из трех уровней напряжений и не привязан к изменению фаз сигнала синхронизации.
В таблице 2 приведены все допустимые комбинации логических состояний трехпроводной системы для одного периода сигнала тактирования, для которых обеспечивается описанное выше соотношение между сигналами VP и VS.
Таблица 2. Пример кодирования данных ECDL
CLK «high»\ CLK «low» SSP SPT SST
SPS 000 001 010
STS 011 100 101
SPT 110 111 Спец. символ
В итоге получаем 9 различимых фаз для трехпроводной системы сигналов. 8 фаз соответствуют комбинациям трехразрядного кода данных, еще одна фаза зарезервирована для передачи сигнала оверхеда. Overhead — заголовок, дополнительное в полезной (payload) последовательности передаваемых сигналов служебное поле. Наличие оверхеда требует повышения пропускной способности канала передачи данных. В данном случае расширение полосы зависит от частоты использования резервной комбинации. Сигнал овер-хеда может быть использован в качестве метки для подсветки команд или в качестве разделителя полей кадров структурированных данных. На рис. 2 показан пример временной диаграммы сигналов трехпроводного дифференциального интерфейса с одновременной передачей 3 разрядов данных и сигнала синхронизации.
Сравнение TLDS и PAM-4
Для сравнения TLDS и PAM-4 на рис. 3 показан пример диаграммы сигналов PAM-4. Можно заметить определенное сходство с TLDS: в PAM-4 также используется встроенная синхронизация, а для передачи фронтов встроенной синхронизации, как и в системе TLDS, используется постоянная смена фазы
146 I интерфейс пользователя
Рис. 4. Структура канала передатчиков и приемников TLDS
CMBF — common-mode feedback circuit — формирователь дифференциальных сигналов (шифратор триадных дифференциальных сигналов)
P, S, T — три проводника дифференциальной линии передачи R — согласующие резисторы со стороны приемника Decoder — дешифратор состояний
LVDS
T-CON
V 1 г ЛГ
4
Source Driver IC
Г
TLDS 3,
XGA
Рис. 5. Топология сети «точка-точка» между TCON и столбцовыми драйверами на базе интерфейса TLDS TCON — Timing CONtroller — контроллер развертки
PCB — печатная плата
LVDS — интерфейс LVDS для трансляции данных видеоинтерфейса в TCON Source Driver IC — микросхема столбцового драйвера
TLDS — трехпроводной интерфейс передачи данных со встроенной синхронизацией XGA — ЖК-панель формата XGA
tapel tape2 tape2 tape3 tapel
Рис. 3. Пример диаграммы сигналов интерфейса PAM-4
уровней. Только в TLDS используется три сигнала, а в PAM-4 — всего два.
При использовании PAM-4 достигнута скорость передачи до 8 Гбит/с (расстояние 10 метров, коаксиальный кабель). Потребляемая мощность трансивера 1,1 Вт. Испытание линии интерфейса TLDS на разработанных приемнике и передатчике показало высокую помехоустойчивость при передаче данных на скорости до 1,5 Гбит/с с использованием синхронизации, передаваемой по отдельной дифференциальной паре, и 900 Мбит/с — в режиме со встроенной синхронизацией ECDL.
Реализация передатчиков и приемников интерфейса TLDS
Схема передатчика интерфейса TLDS аналогична схеме передатчика LVDS (Low Voltage Differential Signaling). В передатчике используется несколько ключей и источник тока с общей обратной связью. Основное отличие от передатчика LVDS — использование 6 ключей, которые обеспечивают 6 состояний протекания тока между выходами трех передатчиков (P, S и T) через резисторы входных цепей приемника. На рис. 4 показаны цепи приемников и передатчиков интерфейса TLDS. В схеме приемника производится сравнение уровней напряжений на трех входах, декодирование состояний на дешифраторе и разделение сигналов синхронизации и данных.
Конфигурация сети передачи point-to-point
В последнее время для высокоскоростного интерфейса между контроллером развертки (TCON) и столбцовыми драйверами используется топология «точка-точка». Эта топология обеспечивает достаточную полосу пропускания и имеет большую помехоустойчивость по сравнению с шинной архитектурой. Топология «точка-точка» требует отдельного сигнала синхронизации по каждому каналу, поскольку данные передаются независимо. В случае использования TFT-панели с восемью столбцовыми драйверами и обычными дифференциальными линиями потребуется 16 проводников только для передачи сигналов синхронизации, что явно недопустимо при дефиците площади для монтажа COF. Использование встроенной синхронизации ECDL позволило значительно сократить число проводников интерфейса TLDS. Другим преимуществом схемы «точка-точка» является простота и гибкость разводки проводников. Согласующие резисторы приемника встроены в кристалл драйвера и не занимают дополнительного места на стеклянной плате. На рис. 5 показана конфигурация прототипа TFT-панели формата XGA с интерфейсом TLDS.
Чипсет для поддержки протокола TLDS состоит из контроллера развертки TCON и столбцового драйвера (Source Driver).
Микросхемы производились по технологии КМОП 0,25 мкм.
Разработанный интерфейс TLDS был использован в прототипе TFT-дисплея формата XGA и демонстрировался на выставке симпозиума SID 2005, проходившей в конце мая этого года в Бостоне (США).
Протокол TLDS
Кроме высокочастотных сигналов данных и синхронизации в столбцовые драйверы требуется передача дополнительных низкочастотных сигналов управления, например таких, как сигналы строчной и кадровой развертки, а также сигнал смены полярности управляющих напряжений. В традиционных интерфейсах столбцовых драйверов данные сигналы передаются по отдельным шинам.
Наличие 9-го состояния в карте кодовых комбинаций TLDS позволяет, не нарушая передачи сигналов данных и синхронизации, вставлять в поток дополнительные низкочастотные сигналы. Для этой цели разработан простой протокол передачи данных между контроллером развертки (TCON) и столбцовыми драйверами. На рис. 5 показана реализация этого TLDS-протокола.
Зарезервированный спецсимвол задает границу поля передачи данных о пикселях строки. В промежутке между кадрами строки передается команда, в поле которой содержатся битовые поля управления кадровой разверткой и сменой полярности. Сигнал перезаписи данных в выходной регистр производится внутренней схемой самого столбцового драйвера по счетчику принятых битов в строке. Таким образом, по трем проводам обеспечивается передача высокочастотных сигналов данных, сиг-
налов битовой синхронизации и сигналов управления столбцовым драйвером.
Сокращение числа проводников позволяет значительно упростить разводку проводников на ограниченной площади стеклянной подложки при использовании технологии COG.
Выводы
В первую очередь данный интерфейс реализует все свои достоинства при использовании в недорогих TFT-дисплеях среднего разрешения, в которых используется технология монтажа столбцовых драйверов COG. Базовые компоненты интерфейса TLDS:
• трехпроводная дифференциальная система;
• трехуровневая логика сигналов;
• токовые низкоуровневые сигналы;
• метод кодирования ECDL со встроенным сигналом синхронизации в потоке данных;
• протокол для передачи через интерфейс дополнительных сигналов управления.
интерфейс пользователя 1147
Область применения интерфейса TLDS может быть расширена за пределы дисплейных приложений. Действительно, принципы, разработанные для данного интерфейса, могут быть успешно применены при создании новых интерфейсов в других приложениях, где критично число проводников интерфейса, требуется высокая скорость передачи данных и возможность передачи встроенных команд управления на фоне последовательного потока однородных данных. ■
Литература
1. Jaegan Ko, Sungoo Hwang, Soonwon Hong, Yoonseok Song, Donghoon Lee, Dalsoo Kim, Hasook Kim, Hyunchul Nam, Seoyoon Kim, Young Jin Lim. TLDS (Ternary Lines Differential Signaling), A New Serial Interface for Cost Effective TFT-LCD. SID'05.
2. Ramin Farjad-Rad, Chih-Kong Ken Yang, Mark A. Horowitz and Thomas H. Lee. A 0.3-um CMOS 8-Gb/s 4-PAM Serial Link Transceiver.
