스페셜티 로직 및 아날로그 PCB에서 라인 드라이버를 사용해야 하는 시기

작성 날짜: 유월 8, 2022
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

MCU, FPGA, CPU, SoC 및 디지털 구성 요소를 위한 다른 모든 약어에는 SPI, I2C, UART 또는 USB와 같은 고속 인터페이스와 같은 표준화된 인터페이스가 포함됩니다. 산업 분야에서는 CAN 버스와 일반적인 고속 디지털 프로토콜의 산업용 버전이 있습니다. 그렇다면 이러한 프로토콜을 사용하지 않거나 혼합 신호로 작동해야 하는 특수 로직 애플리케이션은 어떨까요? 또한 표준화된 인터페이스가 없을 수도 있지만 증폭 및 장거리 전송이 필요할 수 있는 아날로그 신호도 고려해야 합니다.

신호를 장거리로 전송하거나 더 많은 수신기로 분산시키려면 여러 수신기에 충분한 전력을 공급할 수 있는 추가 구성 요소(예: 버퍼) 또는 장거리 연결에서 손실을 극복할 수 있는 구성 요소(예: 케이블을 통한 전송)가 필요합니다. 라인 드라이버는 LVDS와 같은 표준화된 프로토콜뿐만 아니라 장거리 데이터 전송이 필요한 혼합 또는 특수 로직 애플리케이션에서 사용되는 구성 요소 유형 중 하나입니다. 라인 드라이버는 때때로 클록 분배 또는 팬아웃 버퍼링과 함께 언급되며, 이는 특수 로직 회로뿐만 아니라 저주파 아날로그 시스템 개발에서 중요한 점입니다.

고속 디지털 프로토콜이 일반적으로 별도의 라인 드라이버 구성 요소를 사용하지 않기 때문에 이러한 시스템(디지털이든 아날로그이든)에서 이를 사용할 시기를 아는 것이 중요합니다. 이 글에서는 라인 드라이버와 버퍼링 간의 관계를 탐구하고 시장에서 찾을 수 있는 몇 가지 라인 드라이버 옵션을 소개할 것입니다.

라인 드라이버 응용 프로그램

라인 드라이버는 기본적으로 저레벨 입력을 받아 고레벨 출력을 제공할 수 있는 버퍼 또는 증폭기입니다. 이러한 구성 요소는 또한 라인 드라이버의 출력 측면에서 볼 때 고임피던스 요소를 가진 수신 회로와 저레벨 드라이버 사이의 격리를 제공합니다. 실제로 라인 드라이버는 로직 애플리케이션에서 신호 레벨을 증가시켜 부하 구성 요소에 더 많은 전력을 전달할 수 있음을 의미합니다. 이로 인해 라인 드라이버에 대한 두 가지 가능한 응용 프로그램이 있습니다:

입력 신호를 증폭하고 장거리 전송선을 구동
입력 신호를 증폭하고 여러 부하로 라우팅(팬아웃)

장거리 전송선에 연결된 수신기 그룹과 단일 라인 드라이버를 가지고 있다면, 실제로 두 기능을 동시에 수행하고 있는 것입니다. 이 기능을 수행하는 라인 드라이버는 "팬아웃 버퍼" 또는 비슷한 이름으로 명명될 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 아래 다이어그램에 표시된 기능을 본질적으로 수행하고 있습니다.

이러한 구성 요소는 많은 작은 프로세서나 SoC가 통합 디지털 인터페이스를 갖추기 전에 시장에 출시되었지만, 여전히 많은 특수 애플리케이션에서 유용합니다. 아래에 몇 가지 일반적인 사례가 설명되어 있습니다.

높은 데이터 전송률을 가진 디지털 채널

라인 드라이버는 다양한 팬아웃 비율과 데이터 속도를 지원합니다. 데이터 속도 사양(이진 프로토콜인 NRZ가 사용된다고 가정할 때)은 클록 속도 사양과 동일하며, 이는 이러한 구성 요소와 호환되는 일부 최대 클록 속도가 있음을 의미합니다. 더 높은 데이터 속도를 지원하기 위해 일부 라인 드라이버는 출력 비트 스트림에 프리-엠퍼시스를 적용하여 심볼 간 간섭을 억제합니다.

디지털 애플리케이션의 경우, 라인 드라이버를 사용하는 목적은 버스에 많은 구성 요소가 있을 때의 전체 입력 용량과 긴 선로의 손실을 극복하기 위해 구동 신호에 충분한 이득을 제공하는 것입니다. 여러 구성 요소와 그들의 입력 전송 선이 버스에 병렬로 배열될 때, 이 배열은 지면에 대한 일부 기생 용량을 가지게 됩니다. 이러한 용량들은 더해져 단일 클록 프레임 내에서 부하를 스위칭하도록 유도하는 데 필요한 구동 전류를 증가시킵니다. 이러한 구성 요소의 일반적인 사용은 클록 트리에서, 또는 시스템 클록이 버스에 있는 많은 구성 요소로 고 임피던스 연결을 통해 전송되는 경우입니다. 경우에 따라 드라이버는 단일 부하를 구동하기에 너무 약해서 라인 드라이버가 신호를 증폭하여 부하 구성 요소를 구동할 수 있도록 합니다.

라인 드라이버는 입력 비트 스트림을 다른 라인 구동 표준(단일 종단 모드 또는 차동 모드)으로 재포맷하는 데에도 사용될 수 있습니다. 예를 들어, SATA 표준에서 라인 드라이버는 입력 차동 전류 모드 로직(CML) 신호를 보상된 CML 신호로 버퍼링하고 재전송합니다. 이 예에서, 라인 드라이버는 PCB 트레이스나 케이블에서의 신호 손실과 왜곡을 보상하여 수신기에서 올바른 신호 레벨과 상승 시간이 보이도록 합니다.

아날로그 애플리케이션

라인 드라이버에 의해 제공되는 증폭은 특히 오디오 애플리케이션에서 아날로그 애플리케이션에서 다른 용도로 사용됩니다. 라인 드라이버에 의해 제공되는 증폭은 신호 드라이버에 가까이 배치될 때 효과적인 동적 범위를 증가시킵니다. 채널의 출력 측에서 노이즈가 수신되면, 라인 드라이버에 의해 제공되는 이득 덕분에 SNR 값이 전반적으로 더 높아집니다. 이는 저수준 아날로그 신호가 소음이 많은 환경에서 긴 케이블을 통해 전송되어야 할 때 특히 유용합니다. 차동 라인 드라이버를 사용하면 차동 오프앰프와 동일한 이점을 얻을 수 있습니다; 선 길이가 일치하는 한, 공통 모드 노이즈는 수신기에서 억제됩니다.

긴 케이블 연결

전송선처럼 작동하는 긴 케이블은 자체적인 용량을 가지고 있으며, 이는 버스에 병렬로 연결된 많은 수신기 구성요소를 가진 것과 같은 역할을 합니다. 라인 드라이버는 이러한 선로에서의 손실을 극복하기 위해 필요한 신호 증폭을 제공할 수 있으며, 동시에 하류 수신기가 적절한 입력 신호 레벨로 구동될 수 있도록 보장합니다. 이것은 기본적으로 RS485에서 차동 라인 드라이버의 기능이며, 일반적으로 RS485 트랜시버 IC에 통합되어 있습니다. 반사 없이 선로를 통한 신호 전송을 보장하기 위해 일부 라인 드라이버는 단일 종단 및 차동 라인 드라이버 모두에서 케이블/커넥터 임피던스에 맞는 임피던스 매칭 회로를 포함합니다.

중요한 라인 드라이버 사양

다양한 라인 드라이버가 특정 응용 프로그램에 특화되어 있지만, 모든 라인 드라이버 선택에 공통적인 기준이 있습니다:

데이터 속도/클록 속도: 라인 드라이버는 특정 스위칭 속도를 가지며, 이는 사용 가능한 데이터 속도를 제한합니다. 이진 신호의 경우 데이터 속도와 클록 속도는 동일해야 합니다.
차동 대 단일 종단: 고속 데이터 속도 라인 드라이버는 차동 출력을 사용합니다. 낮은 속도/주파수 라인 드라이버나 클록 팬아웃 버퍼는 단일 종단 신호를 사용할 수 있으며, 제어된 임피던스가 필요하지 않을 수 있습니다. 인터페이스 사양을 확인하세요.
인터페이스 변환: 일부 라인 드라이버는 인터페이스 레벨 변환을 포함합니다. 이는 LVDS 인터페이스로 변환할 때 일반적으로 필요합니다.
출력 스큐: 여러 출력을 가진 고속 데이터 속도 라인 드라이버는 항상 출력 간에 일정한 스큐를 가집니다. 이는 팬아웃된 구성요소 간에 정확한 타이밍이 필요한 경우 중요합니다.
고조파 왜곡: 아날로그 응용 프로그램에서 사용되는 라인 드라이버에 중요하며, 증폭 중에 생성된 원치 않는 고조파를 제거하기 위해 필요한 필터링 수준을 결정합니다.

아래에는 몇 가지 예시 라인 드라이버 구성요소 옵션이 나와 있습니다.

ON Semiconductor, NB3L8504S

ON Semiconductor의 NB3L8504S는 빠른 차동 클록 버퍼링 또는 입력 데이터 스트림을 LVDS 신호 레벨로 변환할 수 있는 4채널 차동 라인 드라이버입니다. 이 구성요소는 최대 700 MHz의 비트 스트림 또는 클록 펄스 스트림 전송을 50 ps 최대 출력 스큐로 제공합니다. 각 출력은 프로세서의 간단한 GPIO 핀을 사용하여 토글할 수 있는 출력 활성화 핀(OE)을 사용하여 토글할 수 있습니다. ON Semiconductor는 SMD 패키지로 다양한 라인 드라이버 제품 세트를 제공하며, 이 중 일부는 높은 팬아웃 및 드라이버/수신기 쌍을 가지고 있습니다.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

Renesas의 ISL1557IRZ-T7은 SMD 패키지에 듀얼 오프앰프 토폴로지를 가진 차동 라인 드라이버입니다. 이 구성 요소는 12V 전원에서 최대 750mA까지 부하를 구동할 수 있어 산업용 애플리케이션에 유용합니다. 또한, 이 구성 요소는 상대적으로 고주파 아날로그 애플리케이션을 위해 최대 300MHz의 대역폭을 가지고 있습니다. 저주파 애플리케이션의 경우, 150kHz에서 -80 dBc의 고조파 왜곡이 평가됩니다.

Microchip, SY89474UMG

Microchip의 SY89474UMG는 단일 패키지에 차동 멀티플렉서와 1:2 팬아웃 버퍼의 기능을 결합합니다. 이 구성 요소는 2.5GHz 이상의 클록 또는 2.5Gbps를 초과하는 NRZ 비트스트림에 대한 팬아웃 버퍼링을 제공합니다. 입력은 아래의 애플리케이션 회로에서 보여주는 것처럼 AC 또는 DC 결합을 포함한 다양한 인터페이스를 지원합니다. 이 구성 요소는 멀티 기가 링크에서 더 높은 데이터 속도가 필요할 때 위에 표시된 ON Semiconductor 옵션보다 우수합니다; 이 구성 요소의 LVDS 신호의 상승/하강 시간은 ~170ps이지만 부품 간 편차는 단 20ps입니다.

라인 드라이버가 있는 시스템을 위한 기타 구성 요소

라인 드라이버는 다양한 애플리케이션에서 사용되는 일반적인 구성 요소 클래스입니다만, 전체 시스템 기능을 위해서는 다른 지원 구성 요소가 필요합니다. 라인 드라이버 회로에서 디지털 및 아날로그 기능을 지원하기 위해 필요한 일부 다른 필수 구성 요소는 다음과 같습니다:

다음 혼합 신호 시스템을 위한 라인 드라이버 및 기타 지원 구성 요소를 찾을 때는 Octopart의 고급 검색 및 필터링 기능을 사용하세요. Octopart의 전자 부품 검색 엔진을 사용하면 업데이트된 유통업체 가격 데이터, 부품 재고 및 사양에 액세스할 수 있으며, 모두 사용자 친화적인 인터페이스에서 자유롭게 이용할 수 있습니다. 저희의 집적 회로 페이지를 살펴보세요 필요한 구성 요소를 찾아보세요.

저희 뉴스레터에 가입하여 최신 기사를 받아보세요.