スペシャルティロジックおよびアナログPCBでラインドライバーを使用するタイミング

投稿日 2022/06/8, 水曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

MCU、FPGA、CPU、SoCなど、デジタルコンポーネントの略語には、SPI、I2C、UART、USBのような高速インターフェースといった標準化されたインターフェースが含まれています。産業用の側面では、CANバスや一般的な高速デジタルプロトコルの産業グレードバージョンがあります。しかし、これらのプロトコルを使用しない特殊なロジックアプリケーションや、混合信号で動作する必要がある場合はどうでしょうか？また、標準化されたインターフェースを持たないアナログ信号も考慮する必要があり、これらは増幅して長距離にわたって伝送する必要があるかもしれません。

信号を長距離にわたって伝送したり、より多くの受信機に分配するには、複数の受信機に十分な電力を供給できる追加のコンポーネント（バッファなど）や、長い接続での損失を克服できるコンポーネント（ケーブルを介した伝送など）が必要です。ラインドライバーは、LVDSのような標準化されたプロトコルや、長距離データ転送を必要とする混合または特殊ロジックアプリケーションで使用されるコンポーネントの一種です。ラインドライバーは、時計分配やファンアウトバッファリングとともに言及されることがあり、これらは特殊ロジック回路や低周波アナログシステムを開発する上で重要なポイントです。

高速デジタルプロトコルが通常、別のラインドライバーコンポーネントを使用しないため、これらを他のタイプのシステム（デジタルまたはアナログ）でいつ使用するかを知ることが重要です。この記事では、ラインドライバーとバッファリングの関係を探り、市場で見つけることができるラインドライバーオプションを紹介します。

ラインドライバーのアプリケーション

ラインドライバーは基本的に、低レベルの入力を受け取り、高レベルの出力を提供できるバッファまたはアンプです。これらのコンポーネントは、ラインドライバーの出力側から見たときに、低レベルのドライバーと高インピーダンス要素を持つ受信回路との間に隔離を提供します。実際には、ラインドライバーはロジックアプリケーションで信号レベルを増加させ、負荷コンポーネントにより多くの電力を供給できることを意味します。これにより、ラインドライバーには2つの可能なアプリケーションがあります：

入力信号を増幅して長距離伝送ラインを駆動する
入力信号を増幅して複数の負荷にルーティングする（ファンアウト）

長距離伝送ラインに接続された受信機のグループと単一のラインドライバーを持っている場合、実質的にはこれらの機能を同時に実行しています。この機能を実行するラインドライバーは、「ファンアウトバッファー」などと呼ばれることがあります。これらのコンポーネントは、以下の図に示されている機能を本質的に実行しています。

これらのコンポーネントは、多くの小型プロセッサーやSoCがデジタルインターフェースを統合する前に市場に登場しましたが、多くの特殊アプリケーションで依然として有用です。以下に、一般的なケースをいくつか示します。

高データレートのデジタルチャネル

ラインドライバーには、さまざまなファンアウト比とデータレートをサポートするものがあります。データレート仕様（NRZのようなバイナリプロトコルが使用されると仮定）は、クロックレート仕様と同等であり、これらのコンポーネントと互換性のある最大クロックレートがあることを意味します。より高いデータレートをサポートするために、一部のラインドライバーは、インターシンボル干渉を抑制するために出力ビットストリームにプリエンファシスを適用します。

デジタルアプリケーションでは、ラインドライバーを使用する目的は、バス上の多数のコンポーネントの合計入力容量を克服し、長距離のライン上の損失を克服するために、駆動信号に十分なゲインを与えることです。複数のコンポーネントとその入力伝送ラインがバス上で並列に配置されると、その配置は地面に対していくつかの寄生容量を持ちます。これらの容量は加算され、単一のクロックフレーム内で負荷の切り替えを誘発するために必要な駆動電流を増加させます。これらのコンポーネントの一般的な使用例は、クロックツリー、またはシステムクロックが高インピーダンス接続を介してバス上の多数のコンポーネントに送信される場合です。場合によっては、ドライバーが単一の負荷を駆動するには弱すぎるため、ラインドライバーが信号を増幅して負荷コンポーネントを駆動できるようにします。

ラインドライバーは、入力ビットストリームを異なるライン駆動標準（シングルエンドモードまたは差動モード）に再フォーマットするためにも使用できます。例えば、SATA標準では、ラインドライバーは入力差動電流モードロジック（CML）信号を補償されたCML信号としてバッファリングし、再送信します。この例では、ラインドライバーはPCBトレースまたはケーブル上の信号損失と歪みを補償し、受信側で正しい信号レベルと立ち上がり時間が得られるようにします。

アナログアプリケーション

ラインドライバーによって提供される増幅は、特にオーディオアプリケーションで、アナログアプリケーションで異なる用途に使用されます。ラインドライバーによって提供される増幅は、ラインドライバーが信号ドライバーに近い場所に配置された場合、有効なダイナミックレンジを増加させます。チャネルの出力側でノイズが受信された場合、ラインドライバーによって提供されるゲインのおかげで全体的にSNR値が高くなります。これは、特に低レベルのアナログ信号を騒がしい環境で長いケーブルを介して送信する必要がある場合に特に有用です。差動ラインドライバーを使用すると、ラインの長さが一致している限り、差動オペアンプと同じ利点が得られます。共通モードノイズは受信側で抑制されます。

長距離ケーブル接続

伝送線のように振る舞う長いケーブルは、自身の静電容量を持っており、これはバス上に多数の受信コンポーネントが並列にあるのと同じ役割を果たします。ラインドライバーは、これらの線上の損失を克服するために必要な信号ブーストを提供すると同時に、下流の受信機が適切な入力信号レベルで駆動されることを保証します。これは基本的にRS485の差動ラインドライバーの機能であり、通常はRS485トランシーバICに統合されています。反射なしで線を通じて信号を伝送するために、一部のラインドライバーは、単終端および差動ラインドライバーの両方で、ケーブル/コネクタのインピーダンスに対するインピーダンス整合回路を組み込んでいます。

重要なラインドライバー仕様

異なるラインドライバーは特定のアプリケーションに特化していますが、任意のラインドライバーの選択基準として共通の基準がいくつかあります：

データレート/クロックレート：ラインドライバーには特定の切り替え速度があり、利用可能なデータレートを制限します。バイナリ信号の場合、データレートとクロックレートは等しくなければなりません。
差動対単終端：高データレートのラインドライバーは差動出力を使用します。低速/周波数のラインドライバーやクロックファンアウトバッファは単終端信号を使用することがあり、制御されたインピーダンスが必要ない場合があります。インターフェース仕様を確認してください。
インターフェース変換：一部のラインドライバーはインターフェースレベルの変換を組み込んでいます。これは通常、LVDSインターフェースに変換する場合に必要です。
出力スキュー：複数の出力を持つ高データレートのラインドライバーは常に出力間にある程度のスキューを持ちます。これは、ファンアウトされたコンポーネント間で正確なタイミングが必要な場合に重要です。
高調波歪み：アナログアプリケーションで使用されるラインドライバーにとって重要であり、増幅中に生成される望ましくない高調波を除去するために必要なフィルタリングのレベルを決定します。

以下に、いくつかのラインドライバーコンポーネントのオプションを示します。

ON Semiconductor, NB3L8504S

ON SemiconductorのNB3L8504Sは、高速差動クロックバッファリングまたは入力データストリームをLVDS信号レベルに変換することができる4チャンネル差動ラインドライバーです。このコンポーネントは、最大出力スキューが50 psで、ビットストリームまたはクロックパルスストリームを最大700 MHzで伝送できます。各出力は、プロセッサからの単純なGPIOピンでトグル可能な出力有効ピン（OE）を使用してトグルできます。ON Semiconductorは、高いファンアウトとドライバー/レシーバーペアを持つものを含む、SMDパッケージの複数のラインドライバー製品セットを提供しています。

Renesas, ISL1557IRZ-T7

RenesasのISL1557IRZ-T7は、SMDパッケージのディファレンシャルラインドライバーで、デュアルオペアンプトポロジーを採用しています。このコンポーネントは、12Vの電源から最大750mAの負荷を駆動でき、産業用途に適しています。さらに、このコンポーネントは最大300MHzの帯域幅を持ち、比較的高周波のアナログアプリケーションに適しています。低周波アプリケーションの場合、150kHzでの高調波歪みは-80dBcと評価されています。

Microchip, SY89474UMG

MicrochipのSY89474UMGは、ディファレンシャルマルチプレクサーと1:2ファンアウトバッファーの機能を一つのパッケージに組み合わせています。このコンポーネントは、2.5GHzを超えるクロックまたは2.5Gbpsを超えるNRZビットストリームのファンアウトバッファリングを提供します。入力は、下記のアプリケーション回路に示されているように、ACまたはDCカップリングの複数のインターフェースをサポートします。このコンポーネントは、上記のON Semiconductorのオプションよりも、マルチギガリンクで高いデータレートが必要な場合に優れています。このコンポーネントからのLVDS信号の立ち上がり/立ち下がり時間は約170psですが、部品間のスキューはわずか20psです。

ラインドライバーを使用するシステムのための他のコンポーネント

ラインドライバーは、さまざまなアプリケーションで使用される一般的なコンポーネントのクラスですが、システム全体の機能性をサポートするためには他のサポートコンポーネントが必要です。ラインドライバー回路のデジタルおよびアナログ機能をサポートするために必要な他の重要なコンポーネントには、以下が含まれます：

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