Когда использовать линейный драйвер для специализированных логических и аналоговых печатных плат

Создано: 8 Июня, 2022
Обновлено: 1 Июля, 2024

МК, ПЛИС, ЦПУ, СоС и любые другие аббревиатуры для цифровых компонентов включают стандартизированные интерфейсы, такие как SPI, I2C, UART или высокоскоростные интерфейсы, такие как USB. С промышленной точки зрения существуют шина CAN и промышленные версии общих высокоскоростных цифровых протоколов. Что насчет специализированных логических приложений, которые не используют ни один из этих протоколов или которым необходимо работать с смешанными сигналами? Также следует учитывать аналоговые сигналы, которые могут не иметь стандартизированного интерфейса, но могут требовать усиления и передачи на большие расстояния.

Передача сигналов на большие расстояния или их распределение на большое количество приемников требует дополнительных компонентов, которые могут обеспечить достаточную мощность для нескольких приемников (например, буфер) или которые могут преодолеть потери на длинных соединениях, таких как передача по кабелю. Драйвер линии - это один из компонентов, используемых в стандартизированных протоколах, таких как LVDS, а также в смешанных или специальных логических приложениях, требующих передачи данных на большие расстояния. Драйверы линий иногда упоминаются наряду с распределением тактового сигнала или буферизацией для распределения, оба из которых являются важными моментами при разработке специальных логических схем, а также аналоговых систем низкой частоты.

Поскольку высокоскоростные цифровые протоколы обычно не используют отдельные компоненты драйвера линии, важно знать, когда их использовать в других типах систем (цифровых или аналоговых). В этой статье мы исследуем взаимосвязь между драйверами линий и буферизацией, а также представим некоторые варианты драйверов линий, которые вы можете найти на рынке.

Применение драйверов линий

Драйвер линии по сути является буфером или усилителем, который может принимать сигнал низкого уровня и обеспечивать выход сигнала высокого уровня. Эти компоненты также обеспечивают изоляцию между драйвером низкого уровня и приемной схемой с элементом высокого импеданса, как видно с выходной стороны драйвера линии. Фактически, драйвер линии увеличивает уровень сигнала в логических приложениях, что означает, что больше мощности может быть передано на нагрузочные компоненты. Это дает нам два возможных применения для драйвера линии:

Усиление входного сигнала и управление длинной линией передачи
Усиление входного сигнала и его маршрутизация к нескольким нагрузкам (распределение)

Если у вас есть один драйвер линии и группа приемников, подключенных по длинным линиям передачи, то вы фактически выполняете обе функции одновременно. Драйверы линий, выполняющие эту функцию, могут называться «буферами распределения» или что-то в этом роде. Эти компоненты по сути выполняют функции, показанные на диаграмме ниже.

Хотя эти компоненты появились на рынке до того, как появилось много маленьких процессоров или СоС с интегрированными цифровыми интерфейсами, они все еще полезны во многих специальных приложениях. Некоторые из общих случаев описаны ниже.

Цифровые каналы с высокой скоростью передачи данных

Драйверы линий доступны, поддерживающие различные соотношения разветвления и скорости передачи данных. Спецификация скорости передачи данных (при условии использования бинарного протокола, например, NRZ) эквивалентна спецификации скорости тактирования, что означает наличие некоторой максимальной скорости тактирования, совместимой с этими компонентами. Для поддержки более высоких скоростей передачи данных некоторые драйверы линий применяют предварительное усиление к выходному битовому потоку, чтобы подавить межсимвольные помехи.

В цифровых приложениях смысл использования драйвера линии заключается в том, чтобы обеспечить сигналу управления достаточное усиление для преодоления общей входной емкости при наличии множества компонентов на шине, а также для преодоления потерь на длинных линиях. Когда множество компонентов и их входные линии передачи расположены параллельно на шине, такое расположение имеет некоторую паразитную емкость по отношению к земле. Эти емкости суммируются и увеличивают требуемый ток управления для индукции переключения в нагрузке в течение одного тактового импульса. Обычное использование этих компонентов происходит в деревьях тактирования или в случаях, когда системный такт передается по высокоимпедансному соединению к большому количеству компонентов на шине. В некоторых случаях драйвер слишком слаб, чтобы управлять одной нагрузкой, поэтому драйвер линии усиливает сигнал, чтобы он мог управлять компонентом нагрузки.

Драйверы линий также могут использоваться для переформатирования входного битового потока в другой стандарт управления линией (либо однополярный, либо дифференциальный режим). Например, в стандарте SATA драйвер линии буферизует и повторно передает входные дифференциальные сигналы логики токового режима (CML) как скомпенсированные сигналы CML. В этом примере драйвер линии компенсирует потери сигнала и искажения на дорожках печатной платы или кабеле, так что на приемнике наблюдается правильный уровень сигнала и время нарастания.

Аналоговые приложения

Усиление, предоставляемое драйвером линии, используется по-другому в аналоговых приложениях, особенно в аудиоприложениях. Усиление, предоставляемое драйвером линии, увеличивает эффективный динамический диапазон, когда драйвер линии размещается близко к драйверу сигнала. Если на выходной стороне канала принимается шум, значение SNR будет в целом выше благодаря усилению, предоставляемому драйвером линии. Это особенно полезно, когда необходимо передать низкоуровневый аналоговый сигнал по длинному кабелю в шумной среде. Когда используется дифференциальный драйвер линии, вы получаете те же преимущества, что и от дифференциального операционного усилителя; общий режим шума подавляется на приемнике, если длины линий согласованы.

Длинные кабельные соединения

Длинные кабели, действующие как линии передачи, обладают собственной ёмкостью, которая играет ту же роль, что и наличие множества приёмных компонентов параллельно на шине. Драйвер линии может обеспечить необходимое усиление сигнала для преодоления потерь на этих линиях, а также гарантировать, что нижестоящий приёмник может быть управляем с правильным уровнем входного сигнала. Это в основном функция дифференциального драйвера линии в RS485, который обычно интегрирован в микросхему приёмопередатчика RS485. Для обеспечения передачи сигнала по линии без отражений некоторые драйверы линии включают в себя схемы согласования импеданса с импедансом кабеля/разъёма, как в однополярных, так и в дифференциальных драйверах линии.

Важные характеристики драйвера линии

Хотя различные драйверы линии специализируются на конкретных приложениях, существуют некоторые критерии, которые являются общими критериями выбора для любого драйвера линии:

Скорость передачи данных/тактовая частота: Драйверы линии имеют определённую скорость переключения, которая будет ограничивать доступную скорость передачи данных. Для двоичных сигналов скорость передачи данных и тактовая частота должны быть равны.
Дифференциальный против однополярного: Драйверы линии с высокой скоростью передачи данных будут использовать дифференциальные выходы. Драйверы линии с низкой скоростью/частотой или буферы распределения тактового сигнала могут использовать однополярные сигналы, и контролируемый импеданс может быть не требуется. Убедитесь, что вы проверили спецификации вашего интерфейса.
Преобразование интерфейса: Некоторые драйверы линии включают преобразование уровня интерфейса. Это обычно требуется при преобразовании в интерфейс LVDS.
Сдвиг выходного сигнала: Драйверы линии с высокой скоростью передачи данных и множественными выходами всегда будут иметь некоторый сдвиг между выходами. Это важно, если требуется точное синхронизирование между распределёнными компонентами.
Гармонические искажения: Это важно для драйверов линии, используемых в аналоговых приложениях, и будет определять уровень фильтрации, необходимый для удаления любых нежелательных гармоник, генерируемых во время усиления.

Ниже приведены некоторые примеры компонентов драйвера линии.

ON Semiconductor, NB3L8504S

NB3L8504S от ON Semiconductor - это четырёхканальный дифференциальный драйвер линии, который может обеспечить быстрое дифференциальное буферирование тактового сигнала или преобразование входных потоков данных в уровни сигнала LVDS. Этот компонент обеспечивает передачу битовых потоков или потоков импульсов тактового сигнала до 700 МГц с максимальным сдвигом выходного сигнала 50 пс. Каждый выход может быть переключен с помощью вывода разрешения выхода (OE), который может быть переключен с помощью простого вывода GPIO от процессора. ON Semiconductor предлагает несколько наборов продуктов драйвера линии в корпусах SMD, некоторые из которых имеют высокую разветвлённость и пары драйвер/приёмник.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

ISL1557IRZ-T7 от Renesas - это дифференциальный линейный драйвер с двойной операционной усилительной топологией в корпусе для поверхностного монтажа. Этот компонент может управлять нагрузками до 750 мА от источника питания 12 В, что делает его полезным в промышленных приложениях. Кроме того, этот компонент имеет полосу пропускания до 300 МГц для относительно высокочастотных аналоговых приложений. Для приложений с более низкой частотой гармонические искажения оцениваются в -80 дБ на частоте 150 кГц.

Microchip, SY89474UMG

SY89474UMG от Microchip сочетает в себе функции дифференциального мультиплексора и буфера разветвления 1:2 в одном корпусе. Этот компонент предлагает буферизацию разветвления для часов выше 2,5 ГГц или NRZ-потоков данных свыше 2,5 Гбит/с. Вход поддерживает множество интерфейсов с AC или DC связью, как показано на схемах применения ниже. Этот компонент превосходит вариант от ON Semiconductor, показанный выше, когда требуются более высокие скорости передачи данных в многогигабитных связях; время нарастания/спада сигналов LVDS от этого компонента составляет ~170 пс, но с разбросом от части к части всего 20 пс.

Другие компоненты для систем с линейными драйверами

Линейные драйверы - это общий класс компонентов, которые находят применение в ряде приложений, но для полной функциональности системы им требуются другие вспомогательные компоненты. Некоторые другие необходимые компоненты, поддерживающие цифровые и аналоговые функции в цепях линейных драйверов, включают:

Когда вам нужно найти линейный драйвер и другие вспомогательные компоненты для вашей следующей системы смешанных сигналов, используйте полный набор расширенных функций поиска и фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, запасах на складах и спецификациях, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.