Wann man einen Leitungstreiber für spezielle Logik- und Analog-PCBs verwenden sollte

MCUs, FPGAs, CPUs, SoCs und alle anderen Abkürzungen für digitale Komponenten beinhalten standardisierte Schnittstellen wie SPI, I2C, UART oder Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie USB. Auf der industriellen Seite gibt es den CAN-Bus und industrietaugliche Versionen der gängigen Hochgeschwindigkeits-Digitalprotokolle. Was ist mit speziellen Logikanwendungen, die keines dieser Protokolle verwenden oder mit Mischsignalen arbeiten müssen? Es gibt auch analoge Signale zu berücksichtigen, die möglicherweise keine standardisierte Schnittstelle haben, aber möglicherweise eine Verstärkung und Übertragung über lange Distanzen erfordern.

Signale über lange Distanzen zu übertragen oder auf eine größere Anzahl von Empfängern zu verteilen, erfordert einige zusätzliche Komponenten, die ausreichend Leistung für mehrere Empfänger liefern können (wie ein Puffer) oder die Verluste auf langen Verbindungen überwinden können, wie die Übertragung über ein Kabel. Ein Leitungstreiber ist eine Art von Komponente, die in standardisierten Protokollen wie LVDS verwendet wird, sowie in gemischten oder speziellen Logikanwendungen, die eine Datenübertragung über lange Distanzen erfordern. Leitungstreiber werden manchmal neben der Uhrenverteilung oder dem Fanout-Puffern erwähnt, beides wichtige Punkte bei der Entwicklung von speziellen Logikschaltungen sowie von analogen Systemen mit niedrigerer Frequenz.

Da Hochgeschwindigkeits-Digitalprotokolle im Allgemeinen keine separaten Leitungstreiberkomponenten verwenden, ist es wichtig zu wissen, wann man diese in anderen Arten von Systemen (ob digital oder analog) verwenden sollte. In diesem Artikel werden wir das Verhältnis zwischen Leitungstreibern und Puffern untersuchen und einige Leitungstreiberoptionen vorstellen, die Sie auf dem Markt finden können.

Anwendungen von Leitungstreibern

Ein Leitungstreiber ist im Grunde ein Puffer oder Verstärker, der ein Eingangssignal mit niedrigem Pegel nehmen und einen Ausgang mit hohem Pegel liefern kann. Diese Komponenten bieten auch eine Isolation zwischen einem Treiber mit niedrigem Pegel und einem Empfängerkreis mit einem hochohmigen Element, wie es von der Ausgangsseite des Leitungstreibers gesehen wird. Effektiv erhöht ein Leitungstreiber das Signalniveau in Logikanwendungen, was bedeutet, dass mehr Leistung an Lastkomponenten geliefert werden kann. Das gibt uns zwei mögliche Anwendungen für einen Leitungstreiber:

1. Verstärkung eines Eingangssignals und Treiben einer langen Übertragungsleitung

2. Verstärkung eines Eingangssignals und Routing zu mehreren Lasten (Fanout)

Wenn Sie einen einzelnen Leitungstreiber und eine Gruppe von Empfängern haben, die über lange Übertragungsleitungen verbunden sind, führen Sie effektiv beide Funktionen gleichzeitig aus. Leitungstreiber, die diese Funktion ausführen, können als „Fanout-Puffer“ oder ähnlich bezeichnet werden. Diese Komponenten führen im Wesentlichen die Funktionen aus, die im Diagramm unten gezeigt werden.

Obwohl diese Komponenten auf den Markt kamen, bevor es viele kleinere Prozessoren oder SoCs mit integrierten digitalen Schnittstellen gab, sind sie immer noch nützlich in vielen speziellen Anwendungen. Einige der gängigen Fälle sind unten dargestellt.

Digitale Kanäle mit hoher Datenrate

Leitungstreiber sind verfügbar, die eine Vielzahl von Fanout-Verhältnissen und Datenraten unterstützen. Die Spezifikation der Datenrate (unter der Annahme, dass ein binäres Protokoll wie NRZ verwendet wird) entspricht der Spezifikation der Taktrate, was bedeutet, dass es eine maximale Taktrate gibt, die mit diesen Komponenten kompatibel ist. Um höhere Datenraten zu unterstützen, wenden einige Leitungstreiber eine Vorverstärkung auf den Ausgabebitstrom an, um die Intersymbolinterferenz zu unterdrücken.

Für digitale Anwendungen besteht der Zweck eines Leitungstreibers darin, dem treibenden Signal genügend Verstärkung zu geben, um die gesamte Eingangskapazität von vielen Komponenten auf einem Bus zu überwinden, sowie Verluste auf langen Leitungen zu überwinden. Wenn mehrere Komponenten und ihre Eingangsübertragungsleitungen parallel auf einem Bus angeordnet sind, hat die Anordnung eine gewisse parasitäre Kapazität gegenüber dem Boden. Diese Kapazitäten addieren sich und erhöhen den treibenden Strom, der erforderlich ist, um innerhalb eines einzigen Taktrahmens ein Schalten in der Last zu induzieren. Eine häufige Verwendung dieser Komponenten ist in Taktbäumen oder in Fällen, in denen eine Systemuhr über eine hochohmige Verbindung an eine große Anzahl von Komponenten auf einem Bus gesendet wird. In einigen Fällen ist ein Treiber einfach zu schwach, um eine einzelne Last zu treiben, daher verstärkt ein Leitungstreiber das Signal, sodass es die Lastkomponente treiben kann.

Leitungstreiber können auch verwendet werden, um einen Eingabebitstrom in einen anderen Leitungstreiberstandard (entweder einseitig oder differentiell) umzuformatieren. Zum Beispiel puffert und überträgt ein Leitungstreiber im SATA-Standard Eingangsdifferenzstrommodus-Logiksignale (CML) als kompensierte CML-Signale. In diesem Beispiel kompensiert der Leitungstreiber Signalverlust und Verzerrung auf PCB-Leiterbahnen oder einem Kabel, sodass das korrekte Signalniveau und die Anstiegszeit am Empfänger zu sehen sind.

Analoge Anwendungen

Die Verstärkung, die ein Leitungstreiber bietet, wird in analogen Anwendungen, insbesondere in Audioanwendungen, anders genutzt. Die Verstärkung, die ein Leitungstreiber bietet, erhöht den effektiven Dynamikbereich, wenn der Leitungstreiber nahe am Signaltreiber platziert wird. Wenn auf der Ausgangsseite des Kanals Rauschen empfangen wird, wird der SNR-Wert insgesamt höher sein dank der Verstärkung, die der Leitungstreiber bietet. Dies ist besonders nützlich, wenn ein schwaches analoges Signal über ein langes Kabel in einer lauten Umgebung übertragen werden muss. Wenn ein differentieller Leitungstreiber verwendet wird, erhält man denselben Vorteil wie bei einem differentiellen Operationsverstärker; gemeinsamer Modus-Rauschen wird am Empfänger unterdrückt, solange die Leitungslängen abgeglichen sind.

Lange Kabelverbindungen

Lange Kabel, die wie Übertragungsleitungen wirken, haben ihre eigene Kapazität, die dieselbe Rolle spielt, als hätte man viele Empfängerkomponenten parallel an einem Bus. Ein Leitungstreiber kann die benötigte Signalverstärkung liefern, um Verluste auf diesen Leitungen zu überwinden, und gleichzeitig sicherstellen, dass der stromabwärtige Empfänger mit dem richtigen Eingangssignalpegel angesteuert werden kann. Dies ist im Grunde die Funktion eines differentiellen Leitungstreibers in RS485, der normalerweise in einen RS485-Transceiver-IC integriert ist. Um die Signalübertragung durch die Leitung ohne Reflexionen zu gewährleisten, integrieren einige Leitungstreiber Impedanzanpassungsschaltungen an die Kabel-/Steckverbinderimpedanz, sowohl bei einseitigen als auch bei differentiellen Leitungstreibern.

Wichtige Spezifikationen von Leitungstreibern

Obwohl verschiedene Leitungstreiber für bestimmte Anwendungen spezialisiert sind, gibt es einige Kriterien, die allgemeine Auswahlkriterien für jeden Leitungstreiber sind:

• Datenrate/Taktrate: Leitungstreiber haben eine bestimmte Schaltgeschwindigkeit, die die verfügbare Datenrate begrenzen wird. Für binäre Signale sollten Datenrate und Taktrate gleich sein.

• Differentiell vs. einseitig: Leitungstreiber mit hoher Datenrate verwenden differentielle Ausgänge. Leitungstreiber mit niedrigerer Geschwindigkeit/Frequenz oder Taktverteilungspuffer können einseitige Signale verwenden, und eine kontrollierte Impedanz ist möglicherweise nicht erforderlich. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Schnittstellenspezifikationen überprüfen.

• Schnittstellenumwandlung: Einige Leitungstreiber integrieren eine Schnittstellenebenenumwandlung. Dies ist normalerweise erforderlich, wenn in eine LVDS-Schnittstelle umgewandelt wird.

• Ausgangsverzögerung: Leitungstreiber mit hoher Datenrate und mehreren Ausgängen haben immer eine gewisse Verzögerung zwischen den Ausgängen. Dies ist wichtig, wenn eine präzise Zeitabstimmung über die verteilten Komponenten erforderlich ist.

• Harmonische Verzerrung: Dies ist wichtig für Leitungstreiber, die in analogen Anwendungen verwendet werden, und bestimmt das Niveau der Filterung, die benötigt wird, um unerwünschte Harmonische zu entfernen, die während der Verstärkung erzeugt werden.

Einige Beispieloptionen für Leitungstreiberkomponenten sind unten gezeigt.

ON Semiconductor, NB3L8504S

Der NB3L8504S von ON Semiconductor ist ein Vierkanal-differenzieller Leitungstreiber, der schnelle differentielle Taktverteilung oder Umwandlung von Eingangsdatenströmen in LVDS-Signalebenen bieten kann. Diese Komponente ermöglicht die Übertragung von Bitströmen oder Taktimpulsströmen bis zu 700 MHz mit maximal 50 ps Ausgangsverzögerung. Jeder Ausgang kann mit einem Ausgangsaktivierungspin (OE) umgeschaltet werden, der mit einem einfachen GPIO-Pin von einem Prozessor umgeschaltet werden kann. ON Semiconductor bietet mehrere Sets von Leitungstreiberprodukten in SMD-Paketen an, von denen einige eine hohe Fanout und Treiber/Empfänger-Paare haben.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

Der ISL1557IRZ-T7 von Renesas ist ein differentieller Leitungstreiber mit Dual-Op-Amp-Topologie in einem SMD-Gehäuse. Diese Komponente kann Lasten bis zu 750 mA aus einer 12-V-Versorgung treiben, was sie für industrielle Anwendungen nützlich macht. Zusätzlich hat diese Komponente eine Bandbreite von bis zu 300 MHz für relativ hochfrequente analoge Anwendungen. Für Anwendungen mit niedrigerer Frequenz wird die harmonische Verzerrung mit -80 dBc bei 150kHz bewertet.

Microchip, SY89474UMG

Der SY89474UMG von Microchip kombiniert die Funktionen eines differentiellen Multiplexers und eines 1:2-Fanout-Puffers in einem einzigen Gehäuse. Diese Komponente bietet Fanout-Pufferung für Uhren über 2,5 GHz oder NRZ-Bitströme, die 2,5 Gbps überschreiten. Der Eingang unterstützt mehrere Schnittstellen mit AC- oder DC-Kopplung, wie in den unten gezeigten Anwendungsschaltungen dargestellt. Diese Komponente ist der oben gezeigten Option von ON Semiconductor überlegen, wenn höhere Datenraten in Multi-Gig-Links erforderlich sind; die Anstiegs-/Abfallzeiten der LVDS-Signale dieser Komponente betragen ~170 ps, jedoch mit nur 20 ps Teil-zu-Teil-Schwankung.

Andere Komponenten für Systeme mit Leitungstreibern

Leitungstreiber sind eine allgemeine Klasse von Komponenten, die in einer Reihe von Anwendungen verwendet werden, aber sie benötigen andere unterstützende Komponenten für die vollständige Systemfunktionalität. Einige andere wesentliche Komponenten, die zur Unterstützung digitaler und analoger Funktionen in Leitungstreiberkreisen benötigt werden, umfassen:

• MCU zur Datenverarbeitung

• Spezialverstärker

• ADCs für gemischte Signal-Fähigkeiten

• Spannungsregler

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