何时在专用逻辑和模拟PCB上使用线路驱动器

已创建：June 8, 2022
已更新：July 1, 2024

MCU、FPGA、CPU、SoC 以及其他任何数字组件的缩写都包括了标准接口，如 SPI、I2C、UART 或高速接口如 USB。在工业方面，有 CAN 总线和常见高速数字协议的工业级版本。那些不使用这些协议或需要与混合信号操作的特殊逻辑应用呢？还需要考虑模拟信号，这些信号可能没有任何标准接口，但可能需要放大和长距离传输。

要将信号传输很长距离或扩展到更多接收器，需要一些额外的组件，这些组件能够向多个接收器提供足够的功率（如缓冲器）或能够克服长距离连接上的损失，例如通过电缆传输。线路驱动器是一种在标准协议如 LVDS 中使用的组件，也用于需要长距离数据传输的混合或特殊逻辑应用。线路驱动器有时与时钟分配或扇出缓冲一起提及，这两者都是开发特殊逻辑电路以及低频模拟系统中的重要点。

因为高速数字协议通常不使用单独的线路驱动器组件，所以知道何时在其他类型的系统（无论是数字还是模拟）中使用这些组件很重要。在本文中，我们将探讨线路驱动器和缓冲之间的关系，并将介绍市场上可以找到的一些线路驱动器选项。

线路驱动器应用

线路驱动器基本上是一个缓冲器或放大器，可以接收低电平输入并提供高电平输出。这些组件还提供了从线路驱动器的输出侧看到的低电平驱动器和具有高阻抗元件的接收电路之间的隔离。实际上，线路驱动器在逻辑应用中增加了信号电平，意味着可以向负载组件提供更多功率。这给我们两种可能的线路驱动器应用：

放大输入信号并驱动长传输线
放大输入信号并将其路由到多个负载（扇出）

如果你有一个线路驱动器和一组连接在长传输线上的接收器，那么你实际上同时执行了这两个功能。执行此功能的线路驱动器可能被称为“扇出缓冲器”或类似的名称。这些组件本质上执行下图所示的功能。

尽管这些组件在市场上出现的时间早于许多带有集成数字接口的小型处理器或 SoC，但它们在许多特殊应用中仍然非常有用。下面概述了一些常见的情况。

具有高数据速率的数字通道

线路驱动器支持多种分流比和数据速率。数据速率规格（假设使用的是像NRZ这样的二进制协议）等同于时钟速率规格，这意味着这些组件兼容的最大时钟速率有一定的限制。为了支持更高的数据速率，一些线路驱动器会对输出比特流应用预加重，以抑制符号间干扰。

对于数字应用来说，使用线路驱动器的目的是为了给驱动信号足够的增益，以克服总输入电容（由总线上的多个组件构成）以及长线路上的损耗。当多个组件及其输入传输线并行排列在总线上时，这种排列会对地产生一些寄生电容。这些电容相加，增加了在单个时钟帧内引起负载切换所需的驱动电流。这些组件的一个常见用途是在时钟树中，或者在系统时钟沿着高阻抗连接发送到总线上大量组件的情况下。在某些情况下，驱动器可能太弱，无法驱动单个负载，因此线路驱动器会增强信号，使其能够驱动负载组件。

线路驱动器还可用于将输入比特流重新格式化为不同的线路驱动标准（单端模式或差分模式）。例如，在SATA标准中，线路驱动器缓冲并重新传输输入的差分电流模式逻辑（CML）信号为补偿的CML信号。在这个例子中，线路驱动器补偿了PCB走线或电缆上的信号损失和失真，以便在接收器处看到正确的信号电平和上升时间。

模拟应用

线路驱动器提供的放大在模拟应用中，特别是在音频应用中，被用于不同的用途。线路驱动器提供的放大增加了有效动态范围，当线路驱动器放置在信号驱动器附近时。如果在通道的输出侧接收到噪声，由于线路驱动器提供的增益，SNR值总体上会更高。这在需要通过长电缆在嘈杂环境中传输低电平模拟信号时特别有用。当使用差分线路驱动器时，你会得到与差分运算放大器相同的好处；只要线长匹配，共模噪声就会在接收器处被抑制。

长电缆连接

长电缆就像传输线一样，具有自己的电容，这就像在总线上并联了许多接收器组件一样。线路驱动器可以提供所需的信号增强，以克服这些线路上的损失，同时也确保下游接收器可以用适当的输入信号电平驱动。这基本上是RS485中差分线路驱动器的功能，通常集成在RS485收发器IC中。为了确保信号通过线路传输而不产生反射，一些线路驱动器会集成阻抗匹配电路，以匹配电缆/连接器的阻抗，无论是单端还是差分线路驱动器。

重要的线路驱动器规格

虽然不同的线路驱动器专为特定应用而设计，但有一些标准是任何线路驱动器的共同选择标准：

数据率/时钟率：线路驱动器具有特定的切换速度，这将限制可用的数据率。对于二进制信号，数据率和时钟率应该相等。
差分与单端：高数据率线路驱动器将使用差分输出。低速率/频率线路驱动器或时钟扇出缓冲器可能使用单端信号，可能不需要控制阻抗。确保检查您的接口规格。
接口转换：一些线路驱动器包含接口电平转换。通常在转换为LVDS接口时需要。
输出偏斜：具有多个输出的高数据率线路驱动器总是会在输出之间存在一些偏斜。如果需要在扇出的组件之间精确的时序，这一点很重要。
谐波失真：这对于用于模拟应用的线路驱动器很重要，它将决定去除放大过程中产生的任何不希望的谐波所需的滤波级别。

下面展示了一些线路驱动器组件的示例。

ON Semiconductor, NB3L8504S

ON Semiconductor的NB3L8504S是一个四通道差分线路驱动器，可以提供快速的差分时钟缓冲或将输入数据流转换为LVDS信号电平。该组件支持最高700 MHz的比特流或时钟脉冲流传输，最大输出偏斜为50 ps。每个输出可以使用输出使能引脚（OE）进行切换，该引脚可以通过处理器的简单GPIO引脚进行切换。ON Semiconductor提供多套线路驱动器产品，这些产品采用SMD封装，其中一些具有高扇出和驱动器/接收器对。

Renesas, ISL1557IRZ-T7

Renesas的ISL1557IRZ-T7是一款带有双运算放大器拓扑结构的差分线驱动器，采用SMD封装。该元件能够从12V电源驱动高达750mA的负载，使其在工业应用中非常有用。此外，该元件具有高达300MHz的带宽，适用于相对高频的模拟应用。对于低频应用，其谐波失真在150kHz时评级为-80 dBc。

Microchip, SY89474UMG

Microchip的SY89474UMG将差分多路复用器和1:2扇出缓冲器的功能结合在一个封装中。该元件为超过2.5 GHz的时钟或超过2.5 Gbps的NRZ比特流提供扇出缓冲。输入支持多种接口，可采用AC或DC耦合，如下面的应用电路所示。当在多吉比特链接中需要更高数据速率时，该元件优于上面显示的ON Semiconductor选项；该元件的LVDS信号上升/下降时间约为170ps，但部件间偏差仅为20ps。