Quando utilizzare un driver di linea per PCB logici speciali e analogici

MCU, FPGA, CPU, SoC e qualsiasi altro acronimo per un componente digitale includono interfacce standardizzate come SPI, I2C, UART o interfacce ad alta velocità come USB. Sul lato industriale, ci sono il bus CAN e versioni industriali dei comuni protocolli digitali ad alta velocità. E per le applicazioni logiche speciali che non utilizzano nessuno di questi protocolli o che necessitano di operare con segnali misti? Ci sono anche segnali analogici da considerare, che potrebbero non avere un'interfaccia standardizzata ma potrebbero richiedere amplificazione e trasmissione su lunghe distanze.

Trasmettere segnali su lunghe distanze o distribuirli a un numero maggiore di ricevitori richiede alcuni componenti aggiuntivi che possono fornire sufficiente potenza a più ricevitori (come un buffer) o che possono superare le perdite su collegamenti interconnessi lunghi, come la trasmissione su cavo. Un driver di linea è un tipo di componente utilizzato in protocolli standardizzati come LVDS, così come in applicazioni logiche miste o speciali che richiedono il trasferimento di dati su lunghe distanze. I driver di linea sono talvolta menzionati insieme alla distribuzione dell'orologio o al buffering di fanout, entrambi punti importanti nello sviluppo di circuiti logici speciali così come nei sistemi analogici a bassa frequenza.

Poiché i protocolli digitali ad alta velocità generalmente non utilizzano componenti driver di linea separati, è importante sapere quando utilizzarli in altri tipi di sistemi (sia digitali che analogici). In questo articolo, esploreremo la relazione tra driver di linea e buffering, e presenteremo alcune opzioni di driver di linea che puoi trovare sul mercato.

Applicazioni del Driver di Linea

Un driver di linea è fondamentalmente un buffer o un amplificatore che può prendere un ingresso a basso livello e fornire un'uscita ad alto livello. Questi componenti forniscono anche l'isolamento tra un driver a basso livello e un circuito ricevitore con un elemento ad alta impedenza visto dal lato di uscita del driver di linea. Di fatto, un driver di linea aumenta il livello del segnale nelle applicazioni logiche, il che significa che più potenza può essere consegnata ai componenti del carico. Ciò ci dà due possibili applicazioni per un driver di linea:

1. Amplificare un segnale di ingresso e guidare una lunga linea di trasmissione

2. Amplificare un segnale di ingresso e indirizzarlo a più carichi (fanout)

Se hai un singolo driver di linea e un gruppo di ricevitori connessi su lunghe linee di trasmissione, allora stai effettivamente eseguendo entrambe le funzioni contemporaneamente. I driver di linea che svolgono questa funzione possono essere denominati "buffer di fanout" o qualcosa di simile. Questi componenti stanno essenzialmente svolgendo le funzioni mostrate nel diagramma qui sotto.

Sebbene questi componenti siano entrati sul mercato prima che ci fossero molti processori più piccoli o SoC con interfacce digitali integrate, sono ancora utili in molte applicazioni speciali. Alcuni dei casi comuni sono descritti di seguito.

Canali Digitali Con Alta Velocità di Trasmissione Dati

I driver di linea sono disponibili per supportare una varietà di rapporti di fanout e velocità di trasmissione dati. La specifica della velocità di trasmissione dati (assumendo l'uso di un protocollo binario come NRZ) è equivalente alla specifica della velocità di clock, il che significa che esisterà una certa velocità massima di clock compatibile con questi componenti. Per supportare velocità di dati superiori, alcuni driver di linea applicano una pre-enfasi al flusso di bit in uscita al fine di sopprimere l'interferenza intersimbolica.

Per le applicazioni digitali, lo scopo di avere un driver di linea è quello di fornire al segnale di guida un guadagno sufficiente per superare la capacità di ingresso totale dovuta alla presenza di molti componenti su un bus, così come per superare le perdite su linee lunghe. Quando più componenti e le loro linee di trasmissione di ingresso sono disposti in parallelo su un bus, l'arrangiamento avrà una certa capacità parassita verso terra. Queste capacità si sommano e aumentano la corrente di guida necessaria per indurre la commutazione nel carico entro un singolo frame di clock. Un uso comune di questi componenti è negli alberi di clock, o nei casi in cui un orologio di sistema viene inviato lungo una connessione ad alta impedenza a un gran numero di componenti su un bus. In alcuni casi, un driver è semplicemente troppo debole per pilotare un singolo carico, quindi un driver di linea amplifica il segnale in modo che possa pilotare il componente di carico.

I driver di linea possono anche essere utilizzati per riformattare un flusso di bit in ingresso a uno standard di guida di linea diverso (modalità single-ended o differenziale). Ad esempio, nello standard SATA, un driver di linea bufferizza e ritrasmette i segnali logici differenziali in corrente di ingresso (CML) come segnali CML compensati. In questo esempio, il driver di linea compensa la perdita di segnale e la distorsione su tracce PCB o un cavo in modo che il livello di segnale corretto e il tempo di salita siano visti al ricevitore.

Applicazioni Analogiche

L'amplificazione fornita da un driver di linea è utilizzata in modo diverso nelle applicazioni analogiche, in particolare nelle applicazioni audio. L'amplificazione fornita da un driver di linea aumenta la gamma dinamica effettiva quando il driver di linea è posizionato vicino al driver del segnale. Se viene ricevuto rumore sul lato di uscita del canale, il valore SNR sarà complessivamente più alto grazie al guadagno fornito dal driver di linea. Questo è particolarmente utile quando un segnale analogico di basso livello deve essere trasmesso su un lungo cavo in un ambiente rumoroso. Quando si utilizza un driver di linea differenziale, si ottiene lo stesso beneficio di un op-amp differenziale; il rumore in modo comune viene soppresso al ricevitore a patto che le lunghezze delle linee siano abbinate.

Connessioni con Cavi Lunghi

I lunghi cavi che agiscono come linee di trasmissione hanno la propria capacità, che gioca lo stesso ruolo di avere molti componenti riceventi in parallelo su un bus. Un driver di linea può fornire un aumento del segnale necessario per superare le perdite su queste linee garantendo anche che il ricevitore a valle possa essere pilotato con il corretto livello di segnale in ingresso. Questa è sostanzialmente la funzione di un driver di linea differenziale in RS485, che normalmente è integrato in un circuito integrato trasmettitore RS485. Per garantire il trasferimento del segnale attraverso la linea senza riflessioni, alcuni driver di linea incorporano circuiti di adattamento dell'impedenza alla impedenza del cavo/connettore, sia nei driver di linea single-ended che differenziali.

Specifiche Importanti dei Driver di Linea

Sebbene diversi driver di linea siano specializzati per applicazioni particolari, ci sono alcuni criteri che sono criteri comuni di selezione per qualsiasi driver di linea:

• Velocità dei dati/velocità dell'orologio: I driver di linea hanno una particolare velocità di commutazione, che limiterà la velocità dei dati disponibile. Per i segnali binari, la velocità dei dati e la velocità dell'orologio dovrebbero essere uguali.

• Differenziale vs. single-ended: I driver di linea ad alta velocità utilizzeranno uscite differenziali. I driver di linea a bassa velocità/frequenza o i buffer di distribuzione dell'orologio possono utilizzare segnali single-ended, e potrebbe non essere richiesta un'impedenza controllata. Assicurati di controllare le specifiche della tua interfaccia.

• Conversione dell'interfaccia: Alcuni driver di linea incorporano la conversione del livello dell'interfaccia. Questo è generalmente richiesto quando si converte in un'interfaccia LVDS.

• Skew in uscita: I driver di linea ad alta velocità con molteplici uscite avranno sempre una certa discrepanza tra le uscite. Questo è importante se è richiesta una temporizzazione precisa tra i componenti distribuiti.

• Distorsione armonica: Questo è importante per i driver di linea utilizzati in applicazioni analogiche, e determinerà il livello di filtraggio necessario per rimuovere qualsiasi armonica indesiderata generata durante l'amplificazione.

Di seguito sono mostrate alcune opzioni di componenti driver di linea.

ON Semiconductor, NB3L8504S

Il NB3L8504S di ON Semiconductor è un driver di linea differenziale a quattro canali che può fornire una rapida distribuzione dell'orologio differenziale o la conversione di flussi di dati in ingresso in livelli di segnale LVDS. Questo componente consente la trasmissione di flussi di bit o flussi di impulsi di orologio fino a 700 MHz con uno skew massimo in uscita di 50 ps. Ogni uscita può essere attivata utilizzando un pin di abilitazione dell'uscita (OE), che può essere commutato con un semplice pin GPIO da un processore. ON Semiconductor offre diversi set di prodotti driver di linea in pacchetti SMD, alcuni dei quali hanno un'alta fanout e coppie driver/ricevitore.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

L'ISL1557IRZ-T7 di Renesas è un driver di linea differenziale con topologia a doppio op-amp in un pacchetto SMD. Questo componente può pilotare carichi fino a 750 mA da un'alimentazione di 12 V, rendendolo utile in applicazioni industriali. Inoltre, questo componente ha una larghezza di banda fino a 300 MHz per applicazioni analogiche ad alta frequenza relativamente elevate. Per applicazioni a frequenza più bassa, la distorsione armonica è valutata a -80 dBc a 150kHz.

Microchip, SY89474UMG

L'SY89474UMG di Microchip combina le funzioni di un multiplexer differenziale e di un buffer di fanout 1:2 in un unico pacchetto. Questo componente offre buffering di fanout per orologi superiori a 2,5 GHz o flussi di bit NRZ che superano i 2,5 Gbps. L'ingresso supporta molteplici interfacce con accoppiamento AC o DC, come mostrato nei circuiti di applicazione sottostanti. Questo componente è superiore all'opzione di ON Semiconductor mostrata sopra quando sono richiesti tassi di dati più elevati in collegamenti multi-gig; i tempi di salita/discesa dei segnali LVDS di questo componente sono di ~170 ps, ma con solo 20 ps di scarto parte-parte.

Altri Componenti per Sistemi con Driver di Linea

I driver di linea sono una classe generale di componenti che trovano impiego in una gamma di applicazioni, ma necessitano di altri componenti di supporto per la funzionalità totale del sistema. Alcuni altri componenti essenziali necessari per supportare le funzioni digitali e analogiche nei circuiti dei driver di linea includono:

• MCU per l'elaborazione dei dati

• Amplificatori specializzati

• ADC per capacità di segnale misto

• Regolatori di tensione

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