Quando Usar um Driver de Linha para PCBs de Lógica Especializada e Analógicas

Criada: Junho 8, 2022
Atualizada: Julho 1, 2024

MCUs, FPGAs, CPUs, SoCs e qualquer outra sigla para um componente digital inclui interfaces padronizadas como SPI, I2C, UART ou interfaces de alta velocidade como USB. No lado industrial, existem o barramento CAN e versões industriais dos protocolos digitais de alta velocidade comuns. E quanto a aplicações de lógica especializada que não utilizam nenhum desses protocolos ou que precisam operar com sinais mistos? Também há sinais analógicos a considerar, que podem não ter nenhuma interface padronizada, mas podem requerer amplificação e transmissão por longas distâncias.

Transmitir sinais por longas distâncias ou distribuí-los para um número maior de receptores requer alguns componentes adicionais que podem fornecer energia suficiente para vários receptores (como um buffer) ou que podem superar perdas em interconexões longas, como a transferência por um cabo. Um driver de linha é um tipo de componente usado em protocolos padronizados como LVDS, bem como em aplicações de lógica mista ou especializada que requerem transferência de dados por longas distâncias. Drivers de linha são às vezes mencionados ao lado da distribuição de relógio ou bufferização de fanout, ambos pontos importantes no desenvolvimento de circuitos de lógica especializada, bem como em sistemas analógicos de baixa frequência.

Como os protocolos digitais de alta velocidade geralmente não usam componentes de driver de linha separados, é importante saber quando usá-los em outros tipos de sistemas (sejam digitais ou analógicos). Neste artigo, exploraremos a relação entre drivers de linha e bufferização, e apresentaremos algumas opções de drivers de linha que você pode encontrar no mercado.

Aplicações de Driver de Linha

Um driver de linha é basicamente um buffer ou amplificador que pode receber uma entrada de baixo nível e fornecer uma saída de alto nível. Esses componentes também fornecem isolamento entre um driver de baixo nível e um circuito receptor com um elemento de alta impedância visto do lado de saída do driver de linha. Na prática, um driver de linha aumenta o nível do sinal em aplicações lógicas, o que significa que mais energia pode ser entregue aos componentes de carga. Isso nos dá duas possíveis aplicações para um driver de linha:

Amplificar um sinal de entrada e conduzir uma linha de transmissão longa
Amplificar um sinal de entrada e roteá-lo para várias cargas (fanout)

Se você tem um único driver de linha e um grupo de receptores conectados em linhas de transmissão longas, então você está efetivamente realizando ambas as funções simultaneamente. Drivers de linha que realizam essa função podem ser chamados de “buffers de fanout” ou algo semelhante. Esses componentes estão essencialmente realizando as funções mostradas no diagrama abaixo.

Embora esses componentes tenham chegado ao mercado antes de haver muitos processadores menores ou SoCs com interfaces digitais integradas, eles ainda são úteis em muitas aplicações especializadas. Alguns dos casos comuns são delineados abaixo.

Canais Digitais Com Alta Taxa de Dados

Drivers de linha estão disponíveis que suportam uma variedade de razões de fanout e taxas de dados. A especificação da taxa de dados (assumindo que um protocolo binário como NRZ é usado) é equivalente à especificação da taxa de relógio, o que significa que haverá alguma taxa de relógio máxima que é compatível com esses componentes. Para suportar taxas de dados mais altas, alguns drivers de linha aplicam pré-ênfase ao fluxo de bits de saída para suprimir a interferência entre símbolos.

Para aplicações digitais, o ponto de ter um driver de linha é dar ao sinal de condução ganho suficiente para superar a capacitância de entrada total de ter muitos componentes em um barramento, bem como para superar perdas em linhas longas. Quando múltiplos componentes e suas linhas de transmissão de entrada são organizados em paralelo em um barramento, o arranjo terá alguma capacitância parasita para o terra. Essas capacitâncias se somam e aumentam a corrente de condução necessária para induzir a comutação na carga dentro de um único quadro de relógio. Um uso comum desses componentes é em árvores de relógio, ou em casos onde um relógio do sistema está sendo enviado ao longo de uma conexão de alta impedância para um grande número de componentes em um barramento. Em alguns casos, um driver é simplesmente muito fraco para conduzir uma única carga, então um driver de linha aumenta o sinal para que ele possa conduzir o componente de carga.

Drivers de linha também podem ser usados para reformatar um fluxo de bits de entrada para um padrão de condução de linha diferente (modo single-ended ou diferencial). Por exemplo, no padrão SATA, um driver de linha armazena temporariamente e retransmite sinais lógicos de corrente diferencial de entrada (CML) como sinais CML compensados. Neste exemplo, o driver de linha compensa a perda de sinal e distorção em trilhas de PCB ou um cabo para que o nível de sinal correto e tempo de subida sejam vistos no receptor.

Aplicações Analógicas

A amplificação fornecida por um driver de linha é colocada em um uso diferente em aplicações analógicas, particularmente em aplicações de áudio. A amplificação fornecida por um driver de linha aumenta a faixa dinâmica efetiva quando o driver de linha é colocado próximo ao driver de sinal. Se ruído é recebido no lado de saída do canal, o valor de SNR será maior no geral graças ao ganho fornecido pelo driver de linha. Isso é particularmente útil quando um sinal analógico de baixo nível precisa ser transmitido por um cabo longo em um ambiente ruidoso. Quando um driver de linha diferencial é usado, você obtém o mesmo benefício que um op-amp diferencial; ruído de modo comum é suprimido no receptor desde que os comprimentos de linha sejam correspondidos.

Conexões de Cabo Longo

Cabos longos que atuam como linhas de transmissão possuem sua própria capacitância, que desempenha o mesmo papel que ter muitos componentes receptores em paralelo em um barramento. Um driver de linha pode fornecer um aumento de sinal necessário para superar as perdas nessas linhas, ao mesmo tempo em que garante que o receptor a jusante possa ser acionado com o nível de sinal de entrada adequado. Essa é basicamente a função de um driver de linha diferencial em RS485, que normalmente é integrado em um CI transceptor RS485. Para garantir a transferência de sinal através da linha sem reflexões, alguns drivers de linha incorporam circuitos de correspondência de impedância à impedância do cabo/conector, tanto em drivers de linha de extremidade única quanto diferencial.

Especificações Importantes de Drivers de Linha

Embora diferentes drivers de linha sejam especializados para aplicações particulares, existem alguns critérios que são critérios de seleção comuns para qualquer driver de linha:

Taxa de dados/taxa de relógio: Os drivers de linha têm uma velocidade de comutação particular, que limitará a taxa de dados disponível. Para sinais binários, a taxa de dados e a taxa de relógio devem ser iguais.
Diferencial vs. de extremidade única: Drivers de linha de alta taxa de dados usarão saídas diferenciais. Drivers de linha de velocidade/frequência mais baixas ou buffers de distribuição de relógio podem usar sinais de extremidade única, e a impedância controlada pode não ser necessária. Certifique-se de verificar as especificações da sua interface.
Conversão de interface: Alguns drivers de linha incorporam conversão de nível de interface. Isso geralmente é necessário ao converter para uma interface LVDS.
Desvio de saída: Drivers de linha de alta taxa de dados com múltiplas saídas sempre terão algum desvio entre as saídas. Isso é importante se um tempo preciso for necessário entre os componentes distribuídos.
Distorção harmônica: Isso é importante para drivers de linha usados em aplicações analógicas, e determinará o nível de filtragem necessário para remover quaisquer harmônicos indesejados gerados durante a amplificação.

Algumas opções de componentes de driver de linha de exemplo são mostradas abaixo.

ON Semiconductor, NB3L8504S

O NB3L8504S da ON Semiconductor é um driver de linha diferencial de quatro canais que pode fornecer buffer de relógio diferencial rápido ou conversão de fluxos de dados de entrada em níveis de sinal LVDS. Este componente proporciona a transmissão de fluxos de bits ou fluxos de pulso de relógio de até 700 MHz com desvio de saída máximo de 50 ps. Cada saída pode ser alternada usando um pino de habilitação de saída (OE), que pode ser alternado com um simples pino GPIO de um processador. A ON Semiconductor oferece vários conjuntos de produtos de driver de linha em pacotes SMD, alguns dos quais têm alta distribuição e pares de driver/receptor.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

O ISL1557IRZ-T7 da Renesas é um driver de linha diferencial com topologia de duplo op-amp em um pacote SMD. Este componente pode conduzir cargas de até 750 mA a partir de uma fonte de 12 V, tornando-o útil em aplicações industriais. Além disso, este componente possui até 300 MHz de largura de banda para aplicações analógicas de relativamente alta frequência. Para aplicações de menor frequência, a distorção harmônica é classificada em -80 dBc a 150kHz.

Microchip, SY89474UMG

O SY89474UMG da Microchip combina funções de um multiplexador diferencial e um buffer de fanout 1:2 em um único pacote. Este componente oferece buffer de fanout para relógios acima de 2,5 GHz ou fluxos de bits NRZ que excedem 2,5 Gbps. A entrada suporta múltiplas interfaces com acoplamento AC ou DC, conforme mostrado nos circuitos de aplicação abaixo. Este componente é superior à opção da ON Semiconductor mostrada acima quando taxas de dados mais altas são necessárias em links multi-gig; os tempos de subida/descida dos sinais LVDS deste componente são de ~170 ps, mas com apenas 20 ps de desvio de parte para parte.

Outros Componentes para Sistemas com Drivers de Linha

Drivers de linha são uma classe geral de componentes que encontram sua utilização em uma gama de aplicações, mas eles precisam de outros componentes de suporte para a funcionalidade total do sistema. Alguns outros componentes essenciais necessários para suportar funções digitais e analógicas em circuitos de drivers de linha incluem:

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