Kiedy używać sterownika linii dla specjalistycznych PCB logicznych i analogowych

MCU, FPGA, CPU, SoC oraz inne akronimy oznaczające cyfrowe komponenty zawierają standardowe interfejsy takie jak SPI, I2C, UART czy szybkie interfejsy takie jak USB. W przemyśle występują również magistrale CAN oraz przemysłowe wersje powszechnych szybkich protokołów cyfrowych. Co jednak z aplikacjami logiki specjalistycznej, które nie używają żadnych z tych protokołów lub wymagają pracy z sygnałami mieszanych? Należy również rozważyć sygnały analogowe, które mogą nie mieć żadnego standardowego interfejsu, ale mogą wymagać wzmacniania i transmisji na długie dystanse.

Przesyłanie sygnałów na długie dystanse lub do większej liczby odbiorników wymaga dodatkowych komponentów, które mogą dostarczyć wystarczającą moc do wielu odbiorników (takich jak bufor) lub które mogą pokonać straty na długich połączeniach, takich jak transmisja przez kabel. Sterownik linii to jeden z komponentów używanych w standardowych protokołach takich jak LVDS, jak również w aplikacjach logiki mieszanej lub specjalistycznej wymagających transferu danych na długie dystanse. Sterowniki linii są czasami wspominane obok dystrybucji zegara lub buforowania rozgałęzienia, oba te aspekty są ważne przy rozwijaniu specjalistycznych obwodów logiki jak również systemów analogowych o niższej częstotliwości.

Ponieważ szybkie protokoły cyfrowe generalnie nie używają oddzielnych komponentów sterownika linii, ważne jest, aby wiedzieć, kiedy używać ich w innych typach systemów (cyfrowych lub analogowych). W tym artykule zbadamy związek między sterownikami linii a buforowaniem, oraz przedstawimy kilka opcji sterowników linii, które można znaleźć na rynku.

Zastosowania sterownika linii

Sterownik linii to w zasadzie bufor lub wzmacniacz, który może przyjąć sygnał o niskim poziomie i dostarczyć wyjście o wysokim poziomie. Te komponenty zapewniają również izolację między niskopoziomowym sterownikiem a obwodem odbiornika z elementem o wysokiej impedancji widzianym z wyjścia sterownika linii. W efekcie sterownik linii zwiększa poziom sygnału w aplikacjach logicznych, co oznacza, że więcej mocy może być dostarczone do komponentów obciążenia. Daje nam to dwie możliwe aplikacje dla sterownika linii:

1. Wzmacnianie sygnału wejściowego i napędzanie długiej linii transmisyjnej

2. Wzmacnianie sygnału wejściowego i kierowanie go do wielu obciążeń (rozgałęzienie)

Jeśli masz pojedynczy sterownik linii i grupę odbiorników podłączonych do długich linii transmisyjnych, to efektywnie wykonujesz obie funkcje jednocześnie. Sterowniki linii, które wykonują tę funkcję, mogą być nazwane „buforami rozgałęziającymi” lub coś podobnego. Te komponenty są zasadniczo wykonują funkcje pokazane na poniższym schemacie.

Chociaż te komponenty pojawiły się na rynku przed wieloma mniejszymi procesorami czy SoC z zintegrowanymi interfejsami cyfrowymi, nadal są użyteczne w wielu specjalistycznych aplikacjach. Niektóre z powszechnych przypadków są przedstawione poniżej.

Kanały cyfrowe z wysoką prędkością transmisji danych

Sterowniki linii są dostępne, które obsługują różnorodne stosunki rozgałęzienia i prędkości transmisji danych. Specyfikacja prędkości transmisji danych (zakładając użycie binarnego protokołu, takiego jak NRZ) jest równoznaczna ze specyfikacją prędkości zegara, co oznacza, że istnieje pewna maksymalna prędkość zegara, która jest kompatybilna z tymi komponentami. Aby obsługiwać wyższe prędkości transmisji danych, niektóre sterowniki linii stosują preemfazę do strumienia bitów wyjściowych w celu tłumienia interferencji międzysymbolowej.

W aplikacjach cyfrowych, celem posiadania sterownika linii jest nadanie sygnałowi sterującemu wystarczającego wzmocnienia, aby pokonać całkowitą pojemność wejściową wynikającą z posiadania wielu komponentów na magistrali, jak również aby pokonać straty na długich liniach. Gdy wiele komponentów i ich linie transmisyjne wejściowe są rozmieszczone równolegle na magistrali, układ będzie posiadał pewną pojemność pasożytniczą do ziemi. Te pojemności sumują się i zwiększają wymagany prąd sterujący, aby wywołać przełączanie w obciążeniu w ramach pojedynczej ramki zegarowej. Powszechnym zastosowaniem tych komponentów jest w drzewach zegarowych, lub w przypadkach, gdy zegar systemowy jest wysyłany wzdłuż połączenia o wysokiej impedancji do dużej liczby komponentów na magistrali. W niektórych przypadkach, sterownik jest po prostu zbyt słaby, aby sterować pojedynczym obciążeniem, więc sterownik linii wzmacnia sygnał, aby mógł on sterować komponentem obciążenia.

Sterowniki linii mogą być również używane do reformatowania strumienia bitów wejściowych na inny standard sterowania linią (zarówno w trybie jednoprzewodowym, jak i różnicowym). Na przykład, w standardzie SATA, sterownik linii buforuje i retransmituje wejściowe sygnały logiki prądowej różnicowej (CML) jako skompensowane sygnały CML. W tym przykładzie, sterownik linii kompensuje stratę sygnału i zniekształcenia na ścieżkach PCB lub kablu, tak aby na odbiorniku widoczny był prawidłowy poziom sygnału i czas narastania.

Zastosowania analogowe

Wzmocnienie dostarczane przez sterownik linii jest wykorzystywane w inny sposób w aplikacjach analogowych, szczególnie w aplikacjach audio. Wzmocnienie dostarczane przez sterownik linii zwiększa efektywny zakres dynamiki, gdy sterownik linii jest umieszczony blisko sterownika sygnału. Jeśli na wyjściu kanału odbierany jest szum, wartość SNR będzie ogólnie wyższa dzięki wzmocnieniu dostarczonemu przez sterownik linii. Jest to szczególnie przydatne, gdy niskopoziomowy sygnał analogowy musi być przesyłany przez długi kabel w hałaśliwym środowisku. Gdy używany jest różnicowy sterownik linii, uzyskuje się tę samą korzyść, co w przypadku różnicowego wzmacniacza operacyjnego; szum wspólny jest tłumiony na odbiorniku, o ile długości linii są dopasowane.

Długie połączenia kablowe

Długie kable działające jak linie transmisyjne posiadają własną pojemność, która odgrywa taką samą rolę, jak posiadanie wielu komponentów odbiorczych równolegle na magistrali. Sterownik linii może zapewnić wzmacnianie sygnału potrzebne do pokonania strat na tych liniach, a także zapewnić, że odbiornik w dół linii może być sterowany z odpowiednim poziomem sygnału wejściowego. To jest właściwie funkcja różnicowego sterownika linii w RS485, który zazwyczaj jest zintegrowany w układzie scalonym transceivera RS485. Aby zapewnić transfer sygnału przez linię bez odbić, niektóre sterowniki linii włączają układy dopasowania impedancji do impedancji kabla/złącza, zarówno w sterownikach linii jednozakończonych, jak i różnicowych.

Ważne specyfikacje sterowników linii

Chociaż różne sterowniki linii są specjalizowane dla konkretnych zastosowań, istnieją pewne kryteria, które są wspólnymi kryteriami wyboru dla każdego sterownika linii:

• Prędkość danych/prędkość zegara: Sterowniki linii mają określoną prędkość przełączania, która będzie ograniczać dostępną prędkość danych. Dla sygnałów binarnych prędkość danych i prędkość zegara powinny być równe.

• Różnicowe vs jednozakończone: Sterowniki linii o wysokiej prędkości danych będą używać wyjść różnicowych. Sterowniki linii o niższej prędkości/częstotliwości lub bufory rozdzielacza zegara mogą używać sygnałów jednozakończonych, i kontrolowana impedancja może nie być wymagana. Upewnij się, że sprawdziłeś specyfikacje swojego interfejsu.

• Konwersja interfejsu: Niektóre sterowniki linii włączają konwersję poziomu interfejsu. Jest to zazwyczaj wymagane przy konwersji na interfejs LVDS.

• Skew wyjścia: Sterowniki linii o wysokiej prędkości danych z wieloma wyjściami zawsze będą miały pewne skew między wyjściami. Jest to ważne, jeśli wymagana jest precyzyjna synchronizacja między rozdzielonymi komponentami.

• Zniekształcenie harmoniczne: Jest to ważne dla sterowników linii używanych w aplikacjach analogowych i będzie determinować poziom filtracji potrzebny do usunięcia niepożądanych harmonicznych generowanych podczas wzmacniania.

Poniżej przedstawiono kilka przykładowych opcji komponentów sterownika linii.

ON Semiconductor, NB3L8504S

NB3L8504S od ON Semiconductor to czterokanałowy różnicowy sterownik linii, który może zapewnić szybkie buforowanie zegara różnicowego lub konwersję strumieni danych wejściowych na poziomy sygnału LVDS. Ten komponent zapewnia transmisję strumieni bitów lub strumieni impulsów zegarowych do 700 MHz z maksymalnym skew wyjścia 50 ps. Każde wyjście może być przełączane za pomocą pinu włączania wyjścia (OE), który może być przełączany za pomocą prostego pinu GPIO z procesora. ON Semiconductor oferuje wiele zestawów produktów sterownika linii w obudowach SMD, niektóre z nich mają wysokie fanout i pary sterownik/odbiorca.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

ISL1557IRZ-T7 od Renesas to różnicowy sterownik linii z podwójną topologią wzmacniacza operacyjnego w obudowie SMD. Ten komponent może sterować obciążeniami do 750 mA z zasilania 12 V, co czyni go użytecznym w aplikacjach przemysłowych. Ponadto, ten komponent posiada pasmo przenoszenia do 300 MHz dla stosunkowo wysokich częstotliwości aplikacji analogowych. Dla aplikacji o niższych częstotliwościach, zniekształcenia harmoniczne są oceniane na -80 dBc przy 150kHz.

Microchip, SY89474UMG

SY89474UMG od Microchip łączy funkcje różnicowego multipleksera i bufora 1:2 w jednej obudowie. Ten komponent oferuje buforowanie fanout dla zegarów powyżej 2,5 GHz lub strumieni bitowych NRZ przekraczających 2,5 Gbps. Wejście obsługuje wiele interfejsów z sprzężeniem AC lub DC, jak pokazano na poniższych schematach aplikacji. Ten komponent jest lepszy od pokazanej powyżej opcji ON Semiconductor, gdy wymagane są wyższe prędkości transmisji danych w łączach wielogigabitowych; czasy narastania/opadania sygnałów LVDS z tego komponentu wynoszą ~170 ps, ale tylko 20 ps różnicy między poszczególnymi częściami.

Inne komponenty dla systemów ze sterownikami linii

Sterowniki linii to ogólna klasa komponentów, które znajdują zastosowanie w różnych aplikacjach, ale potrzebują innych komponentów wspierających dla pełnej funkcjonalności systemu. Niektóre inne niezbędne komponenty potrzebne do wspierania funkcji cyfrowych i analogowych w obwodach sterowników linii to:

• Mikrokontrolery do przetwarzania danych

• Specjalistyczne wzmacniacze

• Przetworniki ADC dla możliwości sygnałów mieszanych

• Regulatory napięcia

Kiedy potrzebujesz znaleźć sterownik linii i inne wspierające komponenty dla twojego następnego systemu sygnałów mieszanych, użyj kompletnego zestawu zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, będziesz miał dostęp do aktualizowanych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zostań na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.