Cuándo usar un controlador de línea para PCBs de lógica especializada y analógicas

MCUs, FPGAs, CPUs, SoCs y cualquier otro acrónimo para un componente digital incluye interfaces estandarizadas como SPI, I2C, UART o interfaces de alta velocidad como USB. En el lado industrial, existen el bus CAN y versiones de grado industrial de los protocolos digitales de alta velocidad comunes. ¿Qué pasa con las aplicaciones de lógica especializada que no utilizan ninguno de estos protocolos o que necesitan operar con señales mixtas? También hay que considerar las señales analógicas, que pueden no tener una interfaz estandarizada pero pueden requerir amplificación y transmisión a largas distancias.

Enviar señales a largas distancias o distribuirlas a un mayor número de receptores requiere algunos componentes adicionales que pueden entregar suficiente potencia a múltiples receptores (como un buffer) o que pueden superar las pérdidas en interconexiones largas, como la transferencia a través de un cable. Un controlador de línea es un tipo de componente utilizado en protocolos estandarizados como LVDS, así como en aplicaciones de lógica mixta o especializada que requieren transferencia de datos a largas distancias. Los controladores de línea a veces se mencionan junto con la distribución de reloj o el buffer de fanout, ambos puntos importantes en el desarrollo de circuitos de lógica especializada así como en sistemas analógicos de baja frecuencia.

Debido a que los protocolos digitales de alta velocidad generalmente no utilizan componentes de controlador de línea separados, es importante saber cuándo usar estos en otros tipos de sistemas (ya sean digitales o analógicos). En este artículo, exploraremos la relación entre los controladores de línea y el buffering, y presentaremos algunas opciones de controladores de línea que puedes encontrar en el mercado.

Aplicaciones de Controladores de Línea

Un controlador de línea es básicamente un buffer o amplificador que puede tomar una entrada de bajo nivel y proporcionar una salida de alto nivel. Estos componentes también proporcionan aislamiento entre un controlador de bajo nivel y un circuito receptor con un elemento de alta impedancia visto desde el lado de salida del controlador de línea. En efecto, un controlador de línea aumenta el nivel de señal en aplicaciones lógicas, lo que significa que se puede entregar más potencia a los componentes de carga. Esto nos da dos posibles aplicaciones para un controlador de línea:

1. Amplificar una señal de entrada y conducir una línea de transmisión larga

2. Amplificar una señal de entrada y enrutarla a múltiples cargas (fanout)

Si tienes un único controlador de línea y un grupo de receptores conectados en líneas de transmisión largas, entonces estás efectivamente realizando ambas funciones simultáneamente. Los controladores de línea que realizan esta función pueden llamarse "buffers de fanout" o algo similar. Estos componentes están esencialmente realizando las funciones mostradas en el diagrama a continuación.

Aunque estos componentes llegaron al mercado antes de que hubiera muchos procesadores pequeños o SoCs con interfaces digitales integradas, todavía son útiles en muchas aplicaciones especializadas. Algunos de los casos comunes se describen a continuación.

Canales Digitales Con Alta Tasa de Datos

Los controladores de línea están disponibles para soportar una variedad de relaciones de fanout y tasas de datos. La especificación de tasa de datos (asumiendo que se utiliza un protocolo binario como NRZ) es equivalente a la especificación de tasa de reloj, lo que significa que habrá alguna tasa de reloj máxima que es compatible con estos componentes. Para soportar tasas de datos más altas, algunos controladores de línea aplican pre-énfasis al flujo de bits de salida para suprimir la interferencia entre símbolos.

Para aplicaciones digitales, el punto de tener un controlador de línea es dar al señal de conducción suficiente ganancia para superar la capacitancia de entrada total de tener muchos componentes en un bus, así como para superar las pérdidas en líneas largas. Cuando múltiples componentes y sus líneas de transmisión de entrada se organizan en paralelo en un bus, la disposición tendrá alguna capacitancia parasitaria a tierra. Estas capacitancias se suman y aumentan la corriente de conducción requerida para inducir el cambio en la carga dentro de un único cuadro de reloj. Un uso común de estos componentes es en árboles de reloj, o en casos donde un reloj del sistema se está enviando a lo largo de una conexión de alta impedancia a un gran número de componentes en un bus. En algunos casos, un controlador es demasiado débil para conducir una sola carga, por lo que un controlador de línea aumenta la señal para que pueda conducir el componente de carga.

Los controladores de línea también pueden usarse para reformatear un flujo de bits de entrada a un estándar de conducción de línea diferente (ya sea en modo diferencial o de extremo único). Por ejemplo, en el estándar SATA, un controlador de línea almacena en búfer y retransmite señales lógicas de corriente diferencial de entrada (CML) como señales CML compensadas. En este ejemplo, el controlador de línea compensa la pérdida de señal y la distorsión en trazas de PCB o un cable para que el nivel de señal correcto y el tiempo de subida se vean en el receptor.

Aplicaciones Analógicas

La amplificación proporcionada por un controlador de línea se utiliza de manera diferente en aplicaciones analógicas, particularmente en aplicaciones de audio. La amplificación proporcionada por un controlador de línea aumenta el rango dinámico efectivo cuando el controlador de línea se coloca cerca del controlador de señal. Si se recibe ruido en el lado de salida del canal, el valor de SNR será mayor en general gracias a la ganancia proporcionada por el controlador de línea. Esto es particularmente útil cuando una señal analógica de bajo nivel necesita ser transmitida a través de un cable largo en un ambiente ruidoso. Cuando se utiliza un controlador de línea diferencial, se obtiene el mismo beneficio que un op-amp diferencial; el ruido de modo común se suprime en el receptor siempre que las longitudes de línea estén emparejadas.

Conexiones de Cable Largo

Los cables largos que actúan como líneas de transmisión tienen su propia capacitancia, la cual juega el mismo papel que tener muchos componentes receptores en paralelo en un bus. Un controlador de línea puede proporcionar el impulso de señal necesario para superar las pérdidas en estas líneas, al mismo tiempo que asegura que el receptor aguas abajo pueda ser impulsado con el nivel de señal de entrada adecuado. Esta es básicamente la función de un controlador de línea diferencial en RS485, que normalmente está integrado en un circuito integrado transceptor RS485. Para asegurar la transferencia de señal a través de la línea sin reflexiones, algunos controladores de línea incorporan circuitos de adaptación de impedancia a la impedancia del cable/conector, tanto en controladores de línea de extremo único como diferencial.

Especificaciones Importantes de los Controladores de Línea

Aunque diferentes controladores de línea están especializados para aplicaciones particulares, hay algunos criterios que son criterios de selección comunes para cualquier controlador de línea:

• Tasa de datos/tasa de reloj: Los controladores de línea tienen una velocidad de conmutación particular, lo que limitará la tasa de datos disponible. Para señales binarias, la tasa de datos y la tasa de reloj deberían ser iguales.

• Diferencial vs. extremo único: Los controladores de línea de alta tasa de datos utilizarán salidas diferenciales. Los controladores de línea de baja velocidad/frecuencia o los buffers de distribución de reloj pueden usar señales de extremo único, y podría no ser necesaria la impedancia controlada. Asegúrate de verificar las especificaciones de tu interfaz.

• Conversión de interfaz: Algunos controladores de línea incorporan conversión de nivel de interfaz. Esto suele ser necesario al convertir a una interfaz LVDS.

• Desviación de salida: Los controladores de línea de alta tasa de datos con múltiples salidas siempre tendrán alguna desviación entre las salidas. Esto es importante si se requiere un tiempo preciso a través de los componentes distribuidos.

• Distorsión armónica: Esto es importante para los controladores de línea utilizados en aplicaciones analógicas, y determinará el nivel de filtrado necesario para eliminar cualquier armónico no deseado generado durante la amplificación.

A continuación, se muestran algunas opciones de componentes de controlador de línea.

ON Semiconductor, NB3L8504S

El NB3L8504S de ON Semiconductor es un controlador de línea diferencial de cuatro canales que puede proporcionar la distribución rápida de reloj diferencial o la conversión de flujos de datos de entrada a niveles de señal LVDS. Este componente proporciona la transmisión de flujos de bits o flujos de pulsos de reloj de hasta 700 MHz con una desviación máxima de salida de 50 ps. Cada salida puede ser activada usando un pin de habilitación de salida (OE), que puede ser activado con un simple pin GPIO de un procesador. ON Semiconductor ofrece múltiples conjuntos de productos de controladores de línea en paquetes SMD, algunos de los cuales tienen alta distribución y pares de controlador/receptor.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

El ISL1557IRZ-T7 de Renesas es un controlador de línea diferencial con topología de doble op-amp en un paquete SMD. Este componente puede manejar cargas de hasta 750 mA desde un suministro de 12 V, lo que lo hace útil en aplicaciones industriales. Además, este componente tiene un ancho de banda de hasta 300 MHz para aplicaciones analógicas de relativamente alta frecuencia. Para aplicaciones de baja frecuencia, la distorsión armónica está calificada en -80 dBc a 150kHz.

Microchip, SY89474UMG

El SY89474UMG de Microchip combina las funciones de un multiplexor diferencial y un buffer de fanout 1:2 en un solo paquete. Este componente ofrece buffer de fanout para relojes por encima de 2.5 GHz o flujos de bits NRZ que exceden los 2.5 Gbps. La entrada soporta múltiples interfaces con acoplamiento AC o DC, como se muestra en los circuitos de aplicación a continuación. Este componente es superior a la opción de ON Semiconductor mostrada arriba cuando se requieren tasas de datos más altas en enlaces multi-gig; los tiempos de subida/bajada de las señales LVDS de este componente son ~170 ps, pero con solo 20 ps de desviación de parte a parte.

Otros Componentes para Sistemas con Controladores de Línea

Los controladores de línea son una clase general de componentes que encuentran su uso en una gama de aplicaciones, pero necesitan otros componentes de apoyo para la funcionalidad total del sistema. Algunos otros componentes esenciales necesarios para apoyar las funciones digitales y analógicas en los circuitos de controladores de línea incluyen:

• MCU para procesar datos

• Amplificadores especializados

• ADCs para capacidades de señal mixta

• Reguladores de voltaje

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