Khi nào nên sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu cho PCB logic và analog chuyên biệt

MCU, FPGA, CPU, SoC và bất kỳ từ viết tắt nào khác cho một linh kiện số bao gồm các giao diện tiêu chuẩn như SPI, I2C, UART, hoặc các giao diện tốc độ cao như USB. Về phía công nghiệp, có bus CAN và các phiên bản công nghiệp của các giao thức số tốc độ cao phổ biến. Còn về các ứng dụng logic chuyên biệt không sử dụng bất kỳ giao thức nào trong số này hoặc cần hoạt động với tín hiệu hỗn hợp thì sao? Cũng cần phải xem xét đến tín hiệu analog, có thể không có giao diện tiêu chuẩn nào nhưng có thể yêu cầu khuếch đại và truyền đi xa.

Để truyền tín hiệu đi xa hoặc phân phối ra một số lượng lớn người nhận yêu cầu một số linh kiện bổ sung có thể cung cấp đủ công suất cho nhiều người nhận (như bộ đệm) hoặc có thể vượt qua sự mất mát trên các kết nối dài, như truyền qua cáp. Bộ khuếch đại dòng là một loại linh kiện được sử dụng trong các giao thức tiêu chuẩn như LVDS, cũng như trong các ứng dụng logic chuyên biệt hoặc hỗn hợp yêu cầu truyền dữ liệu đi xa. Bộ khuếch đại dòng đôi khi được nhắc đến cùng với phân phối đồng hồ hoặc bộ đệm phân phối, cả hai đều là những điểm quan trọng trong phát triển mạch logic chuyên biệt cũng như hệ thống analog tần số thấp.

Vì các giao thức số tốc độ cao nói chung không sử dụng các linh kiện bộ khuếch đại dòng riêng biệt, nên việc biết khi nào sử dụng chúng trong các loại hệ thống khác (dù là số hay analog) là quan trọng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá mối quan hệ giữa bộ khuếch đại dòng và bộ đệm, và chúng ta sẽ giới thiệu một số lựa chọn bộ khuếch đại dòng bạn có thể tìm thấy trên thị trường.

Ứng dụng của Bộ Khuếch Đại Dòng

Bộ khuếch đại dòng cơ bản là một bộ đệm hoặc bộ khuếch đại có thể nhận một tín hiệu đầu vào mức thấp và cung cấp một tín hiệu đầu ra mức cao. Các linh kiện này cũng cung cấp sự cách ly giữa một bộ điều khiển mức thấp và mạch thu có yếu tố trở kháng cao nhìn từ phía đầu ra của bộ khuếch đại dòng. Thực tế, một bộ khuếch đại dòng tăng cường mức tín hiệu trong các ứng dụng logic, nghĩa là có thể cung cấp nhiều công suất hơn cho các linh kiện tải. Điều này mang lại cho chúng ta hai ứng dụng có thể có cho bộ khuếch đại dòng:

1. Khuếch đại một tín hiệu đầu vào và truyền đi trên một đường truyền dài

2. Khuếch đại một tín hiệu đầu vào và định tuyến nó đến nhiều tải (phân phối)

Nếu bạn có một bộ khuếch đại dòng và một nhóm người nhận được kết nối trên các đường truyền dài, thì bạn thực sự đang thực hiện cả hai chức năng đồng thời. Các bộ khuếch đại dòng thực hiện chức năng này có thể được gọi là “bộ đệm phân phối” hoặc cái tên tương tự. Các linh kiện này cơ bản thực hiện các chức năng được hiển thị trong sơ đồ dưới đây.

Mặc dù những linh kiện này xuất hiện trên thị trường trước khi có nhiều bộ xử lý nhỏ hơn hoặc SoC với giao diện số tích hợp, chúng vẫn hữu ích trong nhiều ứng dụng chuyên biệt. Một số trường hợp phổ biến được trình bày dưới đây.

Kênh Số Với Tốc Độ Dữ Liệu Cao

Các bộ khuếch đại dòng (line drivers) có sẵn hỗ trợ nhiều tỷ lệ phân phối và tốc độ dữ liệu khác nhau. Thông số tốc độ dữ liệu (giả sử sử dụng giao thức nhị phân như NRZ) tương đương với thông số tốc độ đồng hồ, nghĩa là sẽ có một tốc độ đồng hồ tối đa nào đó tương thích với các thành phần này. Để hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn, một số bộ khuếch đại dòng áp dụng kỹ thuật nhấn mạnh trước (pre-emphasis) cho dòng bit đầu ra nhằm giảm thiểu sự can thiệp giữa các ký hiệu.

Đối với các ứng dụng kỹ thuật số, mục đích của việc có một bộ khuếch đại dòng là để cung cấp đủ khả năng khuếch đại cho tín hiệu đầu vào để vượt qua tổng dung lượng đầu vào khi có nhiều thành phần trên một bus, cũng như để vượt qua sự mất mát trên các đường dài. Khi nhiều thành phần và đường truyền đầu vào của chúng được sắp xếp song song trên một bus, sắp xếp này sẽ có một số dung lượng nối đất nhiễu. Các dung lượng này cộng lại và tăng dòng điện kích hoạt cần thiết để gây ra sự chuyển mạch trong tải trong một khung đồng hồ duy nhất. Một ứng dụng phổ biến của các thành phần này là trong các cây đồng hồ, hoặc trong trường hợp một đồng hồ hệ thống được gửi dọc theo một kết nối trở kháng cao đến một số lượng lớn thành phần trên một bus. Trong một số trường hợp, một bộ điều khiển quá yếu để điều khiển một tải duy nhất, vì vậy một bộ khuếch đại dòng tăng cường tín hiệu để nó có thể điều khiển thành phần tải.

Bộ khuếch đại dòng cũng có thể được sử dụng để tái định dạng một dòng bit đầu vào thành một tiêu chuẩn điều khiển dòng khác (dạng đơn cuối hoặc chênh lệch). Ví dụ, trong tiêu chuẩn SATA, một bộ khuếch đại dòng đệm và tái truyền tín hiệu logic dòng chênh lệch đầu vào (CML) như tín hiệu CML được bù đắp. Trong ví dụ này, bộ khuếch đại dòng bù đắp mất mát tín hiệu và méo dạng trên các đường mạch in PCB hoặc cáp sao cho mức tín hiệu chính xác và thời gian tăng được nhìn thấy tại bộ thu.

Ứng dụng Tương tự

Sự khuếch đại được cung cấp bởi một bộ khuếch đại dòng được sử dụng cho một mục đích khác trong các ứng dụng tương tự, đặc biệt là trong các ứng dụng âm thanh. Sự khuếch đại được cung cấp bởi một bộ khuếch đại dòng tăng cường phạm vi động hiệu quả khi bộ khuếch đại dòng được đặt gần với bộ điều khiển tín hiệu. Nếu tiếng ồn được nhận trên phía đầu ra của kênh, giá trị SNR sẽ cao hơn tổng thể nhờ vào sự khuếch đại được cung cấp bởi bộ khuếch đại dòng. Điều này đặc biệt hữu ích khi một tín hiệu tương tự mức thấp cần được truyền qua một cáp dài trong môi trường ồn ào. Khi sử dụng một bộ khuếch đại dòng chênh lệch, bạn nhận được lợi ích tương tự như một op-amp chênh lệch; tiếng ồn chung được loại bỏ tại bộ thu miễn là chiều dài của dây được khớp.

Kết nối Cáp Dài

Các dây cáp dài hoạt động như đường truyền có dung lượng riêng, đóng vai trò giống như việc có nhiều thành phần thu nhận được mắc song song trên một bus. Một bộ khuếch đại dòng có thể cung cấp sự tăng cường tín hiệu cần thiết để vượt qua sự mất mát trên những dây cáp này đồng thời đảm bảo rằng bộ thu phía dưới có thể được điều khiển với mức tín hiệu đầu vào phù hợp. Đây cơ bản là chức năng của một bộ khuếch đại dòng chênh lệch trong RS485, thường được tích hợp trong một IC truyền nhận RS485. Để đảm bảo việc truyền tín hiệu qua dây cáp mà không bị phản xạ, một số bộ khuếch đại dòng tích hợp mạch khớp trở kháng với trở kháng của cáp/nối, cả trong bộ khuếch đại dòng đơn và chênh lệch.

Thông số Kỹ thuật Quan trọng của Bộ Khuếch Đại Dòng

Mặc dù các bộ khuếch đại dòng khác nhau được chuyên môn hóa cho các ứng dụng cụ thể, có một số tiêu chí chung là tiêu chí lựa chọn cho bất kỳ bộ khuếch đại dòng nào:

• Tốc độ dữ liệu/tốc độ đồng hồ: Bộ khuếch đại dòng có tốc độ chuyển mạch cụ thể, sẽ giới hạn tốc độ dữ liệu có thể có. Đối với tín hiệu nhị phân, tốc độ dữ liệu và tốc độ đồng hồ nên bằng nhau.

• Chênh lệch so với đơn: Bộ khuếch đại dòng với tốc độ dữ liệu cao sẽ sử dụng đầu ra chênh lệch. Bộ khuếch đại dòng với tốc độ/thường số thấp hơn hoặc bộ đệm phân phối đồng hồ có thể sử dụng tín hiệu đơn, và có thể không yêu cầu trở kháng được kiểm soát. Hãy chắc chắn kiểm tra thông số kỹ thuật giao diện của bạn.

• Chuyển đổi giao diện: Một số bộ khuếch đại dòng tích hợp chuyển đổi mức giao diện. Điều này thường được yêu cầu khi chuyển đổi sang giao diện LVDS.

• Lệch đầu ra: Bộ khuếch đại dòng với tốc độ dữ liệu cao có nhiều đầu ra luôn có một số lệch giữa các đầu ra. Điều này quan trọng nếu thời gian chính xác được yêu cầu trên các thành phần được phân phối.

• Méo hài hòa: Điều này quan trọng đối với bộ khuếch đại dòng được sử dụng trong các ứng dụng tương tự, và nó sẽ xác định mức độ lọc cần thiết để loại bỏ bất kỳ hài hòa không mong muốn nào được tạo ra trong quá trình khuếch đại.

Một số ví dụ về lựa chọn thành phần bộ khuếch đại dòng được hiển thị dưới đây.

ON Semiconductor, NB3L8504S

NB3L8504S từ ON Semiconductor là một bộ khuếch đại dòng chênh lệch bốn kênh có thể cung cấp bộ đệm đồng hồ chênh lệch nhanh hoặc chuyển đổi dòng dữ liệu đầu vào thành mức tín hiệu LVDS. Thành phần này cung cấp truyền dẫn dòng bit hoặc dòng xung đồng hồ lên đến 700 MHz với lệch đầu ra tối đa 50 ps. Mỗi đầu ra có thể được chuyển đổi sử dụng chân kích hoạt đầu ra (OE), có thể được chuyển đổi bằng một chân GPIO đơn giản từ một bộ xử lý. ON Semiconductor cung cấp nhiều bộ sản phẩm bộ khuếch đại dòng trong các gói SMD, một số trong số đó có fanout cao và cặp driver/nhận.

Renesas, ISL1557IRZ-T7

ISL1557IRZ-T7 từ Renesas là một bộ khuếch đại dòng vi sai với cấu trúc op-amp kép trong gói SMD. Thành phần này có thể khuếch đại tải lên đến 750 mA từ nguồn 12 V, làm cho nó hữu ích trong các ứng dụng công nghiệp. Ngoài ra, thành phần này có băng thông lên đến 300 MHz cho các ứng dụng tương tự tần số cao tương đối. Đối với các ứng dụng tần số thấp hơn, méo hài hòa được đánh giá ở -80 dBc tại 150kHz.

Microchip, SY89474UMG

SY89474UMG từ Microchip kết hợp chức năng của một bộ chuyển mạch vi sai và bộ đệm phân phối 1:2 trong một gói đơn. Thành phần này cung cấp bộ đệm phân phối cho các tín hiệu đồng hồ trên 2.5 GHz hoặc dòng bit NRZ vượt quá 2.5 Gbps. Đầu vào hỗ trợ nhiều giao diện với ghép nối AC hoặc DC, như được hiển thị trong các mạch ứng dụng bên dưới. Thành phần này vượt trội so với lựa chọn từ ON Semiconductor được hiển thị ở trên khi các tốc độ dữ liệu cao hơn được yêu cầu trong các liên kết đa gig; thời gian tăng/giảm của tín hiệu LVDS từ thành phần này là ~170 ps, nhưng chỉ với sự chênh lệch giữa các phần là 20 ps.

Các Thành Phần Khác cho Hệ Thống với Bộ Khuếch Đại Dòng

Bộ khuếch đại dòng là một lớp thành phần chung được sử dụng trong nhiều ứng dụng, nhưng chúng cần các thành phần hỗ trợ khác cho chức năng hệ thống tổng thể. Một số thành phần cần thiết khác để hỗ trợ chức năng số và tương tự trong mạch bộ khuếch đại dòng bao gồm:

• MCU để xử lý dữ liệu

• Bộ khuếch đại chuyên dụng

• ADCs cho khả năng tín hiệu hỗn hợp

• Điều chỉnh điện áp

Khi bạn cần tìm một bộ khuếch đại dòng và các thành phần hỗ trợ khác cho hệ thống tín hiệu hỗn hợp tiếp theo của mình, sử dụng bộ đầy đủ các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá cập nhật của nhà phân phối, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.