何時為專用邏輯和模擬PCB使用線路驅動器

2022-06-10

何時為專用邏輯和模擬PCB使用線路驅動器

MCU、FPGA、CPU、SoC 和數字組件的任何其他首字母縮寫詞包括標準化接口（如 SPI、I2C、UART）或高速接口（如 USB）。在工業方面，常見的高速數字協議有 CAN 總線和工業級版本。不使用任何這些協議或需要使用混合信號操作的特殊邏輯應用程序呢？還需要考慮模擬信號，它們可能沒有任何標準化接口，但可能需要放大和長距離傳輸。

長距離接收信號或分散到大量接收器需要一些額外的組件，這些組件可以為多個接收器（例如緩沖器）提供足夠的功率，或者可以克服長互連上的損耗，例如通過電纜傳輸。線路驅動器是用于標準協議（如 LVDS）以及需要長距離數據傳輸的混合或特殊邏輯應用中的一種組件。線路驅動器有時與時鐘分配或扇出緩沖一起被提及，這兩者都是開發專用邏輯電路和低頻模擬系統的重要點。

由于高速數字協議通常不使用單獨的線路驅動器組件，因此了解何時在其他類型的系統（無論是數字系統還是模擬系統）中使用這些組件非常重要。在本文中，我們將探討線路驅動器和緩沖之間的關系，并展示一些您可以在市場上找到的線路驅動器選項。

線路驅動器應用

線路驅動器基本上是一個緩沖器或放大器，可以接受低電平輸入并提供高電平輸出。從線路驅動器的輸出側看，這些組件還提供低電平驅動器和具有高阻抗元件的接收器電路之間的隔離。實際上，線路驅動器提高了邏輯應用中的信號電平，這意味著可以向負載組件提供更多功率。這為我們提供了線路驅動器的兩種可能應用：

放大輸入信號并驅動長傳輸線

放大輸入信號并將其路由到多個負載（扇出）

如果您有一個單線驅動器和一組連接在長傳輸線上的接收器，那么您就可以同時有效地執行這兩種功能。執行此功能的線路驅動器可能被命名為“扇出緩沖區”或類似名稱。這些組件基本上執行下圖所示的功能。

盡管這些組件在許多具有集成數字接口的小型處理器或SoC出現之前就已經上市，但它們在許多專業應用中仍然有用。下面概述了一些常見的情況。

具有高數據速率的數字通道

提供支持各種扇出比和數據速率的線路驅動器。數據速率規范（假設使用像 NRZ 這樣的二進制協議）等同于時鐘速率規范，這意味著會有一些與這些組件兼容的最大時鐘速率。為了支持更高的數據速率，一些線路驅動器對輸出比特流應用預加重，以抑制符號間干擾。

對于數字應用，擁有線路驅動器的目的是為驅動信號提供足夠的增益，以克服總線上有許多組件的總輸入電容，以及克服長線路上的損耗。當多個組件及其輸入傳輸線在總線上并聯布置時，該布置將對地產生一些寄生電容。這些電容增加并增加了在單個時鐘幀內引起負載切換所需的驅動電流。這些組件的常見用途是在時鐘樹中，或者在系統時鐘沿高阻抗連接發送到總線上的大量組件的情況下。在某些情況下，驅動器太弱而無法驅動單個負載，因此線路驅動器會提升信號以便它可以驅動負載組件。

線路驅動器還可用于將輸入比特流重新格式化為不同的線路驅動標準（單端或差分模式）。例如，在 SATA 標準中，線路驅動器緩沖輸入差分電流模式邏輯 (CML)信號并將其作為補償CML信號重新傳輸。在此示例中，線路驅動器補償PCB走線或電纜上的信號損失和失真，以便在接收器上看到正確的信號電平和上升時間。

模擬應用

線路驅動器提供的放大在模擬應用中被用于不同的用途，特別是在音頻應用中。當線路驅動器靠近信號驅動器放置時，線路驅動器提供的放大增加了有效動態范圍。如果在通道的輸出側接收到噪聲，由于線路驅動器提供的增益，SNR 值總體上會更高。當需要在嘈雜的環境中通過長電纜傳輸低電平模擬信號時，這特別有用。當使用差分線路驅動器時，您將獲得與差分運算放大器相同的好處；只要線路長度匹配，接收器就會抑制共模噪聲。

長電纜連接

像傳輸線一樣的長電纜具有自己的電容，其作用與在總線上并聯許多接收器組件的作用相同。線路驅動器可以提供克服這些線路損耗所需的信號增強，同時還確保下游接收器可以以適當的輸入信號電平驅動。這基本上是 RS485 中差分線路驅動器的功能，通常集成在RS485 收發器 IC中。為了確保信號通過線路傳輸而沒有反射，一些線路驅動器在單端和差分線路驅動器中都將阻抗匹配電路與電纜/連接器阻抗結合在一起。

重要的線路驅動器規格

雖然不同的線路驅動器專門用于特定應用，但有一些標準是任何線路驅動器的常見選擇標準：

數據速率/時鐘速率：線路驅動器具有特定的開關速度，這將限制可用的數據速率。對于二進制信號，數據速率和時鐘速率應該相等。

差分與單端：高數據速率線路驅動器將使用差分輸出。較低速度/頻率的線路驅動器或時鐘扇出緩沖器可能使用單端信號，并且可能不需要受控阻抗。確保檢查您的接口規格。

接口轉換：一些線路驅動器包含接口電平轉換。這通常在轉換為 LVDS 接口時需要。

輸出偏斜：具有多個輸出的高數據速率線路驅動器在輸出之間總是會有一些偏斜。如果需要跨扇出組件的精確時序，這一點很重要。

諧波失真：這對于模擬應用中使用的線路驅動器很重要，它將決定消除放大期間產生的任何不需要的諧波所需的濾波級別。