Quand utiliser un pilote de ligne pour des PCBs logiques spécialisés et analogiques

Créé: Juin 8, 2022
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Les MCU, FPGA, CPU, SoC et tout autre acronyme désignant un composant numérique incluent des interfaces standardisées telles que SPI, I2C, UART ou des interfaces à haute vitesse comme USB. Du côté industriel, il y a le bus CAN et des versions industrielles des protocoles numériques à haute vitesse communs. Qu'en est-il des applications logiques spécialisées qui n'utilisent aucun de ces protocoles ou qui doivent fonctionner avec des signaux mixtes ? Il faut également considérer les signaux analogiques, qui peuvent ne pas avoir d'interface standardisée mais qui peuvent nécessiter une amplification et une transmission sur de longues distances.

Transmettre des signaux sur de longues distances ou les distribuer à un plus grand nombre de récepteurs nécessite des composants supplémentaires capables de fournir suffisamment de puissance à plusieurs récepteurs (comme un tampon) ou de surmonter les pertes sur de longues interconnexions, telles que le transfert via un câble. Un pilote de ligne est un type de composant utilisé dans des protocoles standardisés comme LVDS, ainsi que dans des applications logiques mixtes ou spécialisées nécessitant un transfert de données sur de longues distances. Les pilotes de ligne sont parfois mentionnés aux côtés de la distribution d'horloge ou du tamponnage de fanout, qui sont tous deux des points importants dans le développement de circuits logiques spécialisés ainsi que dans les systèmes analogiques de basse fréquence.

Étant donné que les protocoles numériques à haute vitesse n'utilisent généralement pas de composants de pilote de ligne séparés, il est important de savoir quand les utiliser dans d'autres types de systèmes (qu'ils soient numériques ou analogiques). Dans cet article, nous explorerons la relation entre les pilotes de ligne et le tamponnage, et nous présenterons quelques options de pilotes de ligne que vous pouvez trouver sur le marché.

Applications des pilotes de ligne

Un pilote de ligne est essentiellement un tampon ou un amplificateur capable de prendre une entrée de faible niveau et de fournir une sortie de haut niveau. Ces composants fournissent également une isolation entre un pilote de faible niveau et un circuit récepteur avec un élément à haute impédance vu du côté de sortie du pilote de ligne. En effet, un pilote de ligne augmente le niveau du signal dans les applications logiques, ce qui signifie que plus de puissance peut être délivrée aux composants de charge. Cela nous donne deux applications possibles pour un pilote de ligne :

Amplifier un signal d'entrée et conduire une longue ligne de transmission
Amplifier un signal d'entrée et le router vers plusieurs charges (fanout)

Si vous avez un seul pilote de ligne et un groupe de récepteurs connectés sur de longues lignes de transmission, alors vous effectuez effectivement les deux fonctions simultanément. Les pilotes de ligne qui remplissent cette fonction peuvent être nommés « tampons de fanout » ou quelque chose de similaire. Ces composants remplissent essentiellement les fonctions illustrées dans le diagramme ci-dessous.

Bien que ces composants soient apparus sur le marché avant qu'il y ait beaucoup de petits processeurs ou SoC avec des interfaces numériques intégrées, ils sont toujours utiles dans de nombreuses applications spécialisées. Certains des cas courants sont décrits ci-dessous.

Canaux numériques avec un haut débit de données

Les pilotes de ligne sont disponibles pour supporter une variété de ratios de fanout et de débits de données. La spécification du débit de données (en supposant qu'un protocole binaire comme NRZ est utilisé) est équivalente à la spécification du taux d'horloge, ce qui signifie qu'il y aura un taux d'horloge maximum compatible avec ces composants. Pour supporter des débits de données plus élevés, certains pilotes de ligne appliquent une préaccentuation au flux de bits de sortie afin de supprimer l'interférence entre symboles.

Pour les applications numériques, l'intérêt d'avoir un pilote de ligne est de donner au signal de commande suffisamment de gain pour surmonter la capacité d'entrée totale due à la présence de nombreux composants sur un bus, ainsi que pour compenser les pertes sur de longues lignes. Lorsque plusieurs composants et leurs lignes de transmission d'entrée sont disposés en parallèle sur un bus, l'arrangement présentera une certaine capacité parasitaire à la terre. Ces capacités s'additionnent et augmentent le courant de commande nécessaire pour induire la commutation dans la charge dans un seul cadre d'horloge. Une utilisation courante de ces composants se trouve dans les arbres d'horloge, ou dans les cas où une horloge système est envoyée le long d'une connexion à haute impédance vers un grand nombre de composants sur un bus. Dans certains cas, un pilote est tout simplement trop faible pour commander une seule charge, donc un pilote de ligne amplifie le signal afin qu'il puisse commander le composant de charge.

Les pilotes de ligne peuvent également être utilisés pour reformater un flux de bits d'entrée vers une norme de conduite de ligne différente (soit en mode unipolaire soit différentiel). Par exemple, dans la norme SATA, un pilote de ligne tamponne et retransmet les signaux logiques de courant différentiel d'entrée (CML) comme des signaux CML compensés. Dans cet exemple, le pilote de ligne compense la perte de signal et la distorsion sur les pistes de PCB ou un câble de sorte que le niveau de signal correct et le temps de montée soient observés au récepteur.

Applications Analogiques

L'amplification fournie par un pilote de ligne est utilisée différemment dans les applications analogiques, particulièrement dans les applications audio. L'amplification fournie par un pilote de ligne augmente la plage dynamique effective lorsque le pilote de ligne est placé près du pilote de signal. Si du bruit est reçu sur le côté de sortie du canal, la valeur SNR sera globalement plus élevée grâce au gain fourni par le pilote de ligne. Cela est particulièrement utile lorsqu'un signal analogique de faible niveau doit être transmis sur un long câble dans un environnement bruyant. Lorsqu'un pilote de ligne différentiel est utilisé, vous obtenez le même avantage qu'un amplificateur opérationnel différentiel ; le bruit en mode commun est supprimé au récepteur tant que les longueurs de ligne sont assorties.

Connexions par Câble Long

Les longs câbles qui agissent comme des lignes de transmission possèdent leur propre capacité, ce qui joue le même rôle que d'avoir de nombreux composants récepteurs en parallèle sur un bus. Un pilote de ligne peut fournir un renforcement du signal nécessaire pour surmonter les pertes sur ces lignes tout en assurant que le récepteur en aval peut être alimenté avec le niveau de signal d'entrée approprié. C'est essentiellement la fonction d'un pilote de ligne différentiel dans RS485, qui est normalement intégré dans un circuits intégrés transceiver RS485. Pour assurer le transfert du signal à travers la ligne sans réflexions, certains pilotes de ligne intègrent un circuit d'adaptation d'impédance à l'impédance du câble/connecteur, à la fois dans les pilotes de ligne à terminaison unique et différentielle.

Spécifications importantes des pilotes de ligne

Bien que différents pilotes de ligne soient spécialisés pour des applications particulières, il existe certains critères qui sont des critères de sélection communs pour tout pilote de ligne :

Taux de données/taux d'horloge : Les pilotes de ligne ont une vitesse de commutation particulière, qui limitera le taux de données disponible. Pour les signaux binaires, le taux de données et le taux d'horloge devraient être égaux.
Différentiel vs. unipolaire : Les pilotes de ligne à haut débit utiliseront des sorties différentielles. Les pilotes de ligne à vitesse/fréquence plus basse ou les tampons de distribution d'horloge peuvent utiliser des signaux unipolaires, et une impédance contrôlée pourrait ne pas être requise. Assurez-vous de vérifier les spécifications de votre interface.
Conversion d'interface : Certains pilotes de ligne intègrent une conversion de niveau d'interface. Cela est généralement requis lors de la conversion vers une interface LVDS.
Décalage de sortie : Les pilotes de ligne à haut débit avec plusieurs sorties auront toujours un certain décalage entre les sorties. Cela est important si un timing précis est requis à travers les composants distribués.
Distorsion harmonique : Cela est important pour les pilotes de ligne utilisés dans des applications analogiques, et cela déterminera le niveau de filtrage nécessaire pour éliminer les harmoniques indésirables générées pendant l'amplification.

Quelques exemples d'options de composants de pilote de ligne sont présentés ci-dessous.

ON Semiconductor, NB3L8504S

Le NB3L8504S de ON Semiconductor est un pilote de ligne différentiel à quatre canaux qui peut fournir une mise en mémoire tampon d'horloge différentielle rapide ou la conversion de flux de données d'entrée en niveaux de signal LVDS. Ce composant permet la transmission de flux de bits ou de flux d'impulsions d'horloge jusqu'à 700 MHz avec un décalage de sortie maximal de 50 ps. Chaque sortie peut être activée à l'aide d'une broche d'activation de sortie (OE), qui peut être basculée avec une simple broche GPIO d'un processeur. ON Semiconductor propose plusieurs séries de produits de pilotes de ligne en boîtiers CMS, dont certains ont un grand fanout et des paires pilote/récepteur.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

Le ISL1557IRZ-T7 de Renesas est un pilote de ligne différentiel avec une topologie à double ampli-op en boîtier CMS. Ce composant peut piloter des charges jusqu'à 750 mA à partir d'une alimentation de 12 V, ce qui le rend utile dans les applications industrielles. De plus, ce composant dispose d'une bande passante allant jusqu'à 300 MHz pour des applications analogiques de fréquence relativement élevée. Pour les applications de basse fréquence, la distorsion harmonique est évaluée à -80 dBc à 150kHz.

Microchip, SY89474UMG

Le SY89474UMG de Microchip combine les fonctions d'un multiplexeur différentiel et d'un tampon de distribution 1:2 dans un seul boîtier. Ce composant offre un tampon de distribution pour les horloges au-dessus de 2,5 GHz ou les flux de bits NRZ dépassant 2,5 Gbps. L'entrée prend en charge plusieurs interfaces avec un couplage AC ou DC, comme le montrent les circuits d'application ci-dessous. Ce composant est supérieur à l'option de ON Semiconductor présentée ci-dessus lorsque des débits de données plus élevés sont nécessaires dans des liaisons multi-gig ; les temps de montée/descente des signaux LVDS de ce composant sont d'environ 170 ps, mais avec seulement 20 ps de décalage de pièce à pièce.

Autres composants pour systèmes avec pilotes de ligne

Les pilotes de ligne sont une classe générale de composants qui trouvent leur utilisation dans une gamme d'applications, mais ils nécessitent d'autres composants de soutien pour la fonctionnalité totale du système. Certains autres composants essentiels nécessaires pour soutenir les fonctions numériques et analogiques dans les circuits de pilotes de ligne incluent :

Lorsque vous avez besoin de trouver un pilote de ligne et d'autres composants de soutien pour votre prochain système de signal mixte, utilisez l'ensemble complet de fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs mises à jour, à l'inventaire des pièces et aux spécifications, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

Restez à jour avec nos derniers articles en vous inscrivant à notre newsletter.