이 글에서는 멀티드롭 버스를 위한 기존의 페일 세이프 바이어싱 회로를 검토하고 이 회로의 가장 일반적인 취약점인 성분 변화를 살펴본다. 또한 페일 세이프 바이어싱을 위한 새로운 방식의 견고한 회로 구조를 제안한다.
AC 커플링, 멀티드롭 LVDS 버스를 보호하는 페일 세이프 바이어싱 구조
글│Chung Wu, Principal Member of Technical Staff, Maxim Integrated Products Inc.
저전압 차동 신호전송(LVDS)은 고속 디지털 신호 인터커넥션에 많이 사용되는 기법이다. 멀티드롭 LDVS 버스라고 하는 LVDS 버스 토폴로지는 여러 개의 LVDS 수신기를 1개의 100Ω 차동 트위스트 페어에 연결하여 LVDS 송신기로 구동한다. 이 글에서는 멀티드롭 버스를 위한 기존의 페일 세이프 바이어싱 회로를 검토하고 이 회로의 가장 일반적인 취약점인 성분 변화를 살펴본다. 또한 페일 세이프 바이어싱을 위한 새로운 방식의 견고한 회로 구조를 제안한다.
LVDS 신호전송은 디지털 비디오와 카메라 신호에 많이 사용되고 있으며 접지 레벨 시프트와 공통 모드 간섭을 피하기 위해 AC 커플링 사용도 증가하고 있다. 일반적인 멀티드롭 LVDS 버스(그림 1)에서 각 드롭 연결이 버스 임피던스에 미치는 연결을 최소화하기 위해서는 버스와 수신기 입력 간의 연결 길이를 가능한 짧게 유지해야 한다.
그림 1의 페일 세이프 바이어싱 회로는 약 1.2V의 공통 모드 바이어스를 제공한다. 버스가 송신기에 의해 구동되지 않거나 장시간 상태 천이가 없을 때 회로는 수신기 입력에 50mV~100mV의 작은 차동 전압을 인가하여 LVDS 수신기 출력을 사전에 정의된 로직 상태로 설정한다. LVDS 페일 세이프 회로의 일반적인 내용에 대해서는 애플리케이션 노트 3662, LVDS 페일 세이프 회로의 이해(www. maxim-ic.com/AN36662)를 참조한다.
그림 1. AC 커플링, LVDS 멀티드롭 버스의 블록 다이어그램
멀티드롭 버스의 바이어싱은 포인트 투 포인트(point-to-point) 인터페이스의 바이어싱과는 다르다. 멀티드롭 수신기 입력은 하이 임피던스를 가져야 하지만 포인트 투 포인트 토폴로지의 수신기 입력 임피던스는 100Ω 정도이다. 그러나 기존의 페일 세이프 바이어싱 회로에서는 저항 값이 조금씩 달라지는데, 이러한 변화가 페일 세이프 회로의 오동작을 초래할 수 있으므로 가장 일반적인 취약점으로 간주된다. 이 문제를 보다 자세히 살펴보기 위해 기존의 페일 세이프 회로 설계와 성분 변화의 문제를 평가하고 새로운 방식의 견고한 바이어싱 회로를 검토하기로 한다.
기존 바이어싱 회로와 취약점
가장 일반적인 기존의 페일 세이프 바이어싱 회로는 각 LVDS 입력 핀에 있는 저항 전압 분배기로 구성된다(그림 2A). 저항 값은 각 핀에 약 1.2V의 전압을 생성하는 값이 선택되며 -50mV의 차이를 갖는다. 이러한 입력 전압은 아래의 공칭 저항 값을 사용하여 계산된다. 버스가 구동되지 않을 때 -50mV 입력 차이는 수신기 출력에서 로직 로우 상태로 인식된다.
그러나 저항 허용오차가 차동 전압 값의 변화에 많은 영향을 미칠 수 있다. 모든 저항이 1%라고 가정하면 전압 차이는 최악의 경우 -90mV 네거티브 값에 도달할 수 있다(그림 2B). 포지티브에서 극단적인 경우 전압 차이는 단 -16mV이다(그림 2C). 따라서 저항이 ±1% 변하면 페일 세이프 차동 입력 전압은 -80%에서 68%로 변화할 수 있다.
그림 2. ±1% 저항을 사용하는 이러한 일반적인 페일 세이프 바이어싱 회로에서 다음의 값을 사용할 때 공통 모드 및 차동 입력 전압에 미치는 영향에 주의한다. 공칭 1% 저항 값(a), 최대 전압 차이에 스큐된 저항 값(b) 및 최소 차이에 스큐된 값(c).
이와 같이 큰 차동 페일 세이프 전압은 전통적인 회로 설계의 가장 큰 취약점이며, 그 결과 로직 하이 또는 로직 로우의 듀티 사이클은 불균형 상태가 된다. 하나의 입력에서 트리거링 임계값은 증가하지만 트리거링 지점에서 슬루율은 감소하므로, 이에 따라 수신기의 내부 지터가 증가한다. 더욱이, 그림 2C에서 보듯이 전압 차이의 낮은 전압은 페일 세이프 기능을 작동시키는 데 충분하지 않을 수 있다. 이러한 약점을 극복하기 위해 저항 변화에 매우 안정적인 새로운 바이어싱 회로를 살펴보기로 한다.
새로운 페일 세이프 바이어싱 회로
페일 세이프 기능을 위한 새로운 바이어싱 토폴로지는 저항 값의 변화와 상관없이 비교적 일정한 차동 전압을 생성한다(그림 3). 새로운 방법은 공통 소스로부터 2개의 입력 핀을 위한 공통 전압을 구동하고 하나의 입력 핀에서 풀 다운 (또는 풀 업) 저항을 이용하여 차동 전압을 생성한다.
그림 3의 값에서 저항이 ±5%일 때에도 페일 세이프 차동 전압은 그림 2에 보이는 회로보다 훨씬 적은 단 15%~-15% 사이에서 변화한다는 것을 볼 수 있다. 새로운 회로는 또한 내부 공통 풀 업 페일 세이프 회로를 갖는 LVDS 제품(MAX9169/MAX9170, MAX9174/ MAX9175 및 기타 업체의 유사한 소자) 또는 약한 내부 공통 모드 바이어싱 회로를 갖는 LVDS 제품(디시리얼라이저 MAX9242/ MAX9244/MAX9246/ MAX9254, MAX9218, MAX9248/ MAX9250 및 기타 업체의 유사한 소자)에도 사용할 수 있다.
그림 3. 이 견고한 페일 세이프 바이어싱 회로에서 다음의 값을 사용할 때 공통 모드 및 차동 입력 전압에 미치는 영향에 주의한다. 5% 공칭 저항 값(a), 최대 전압 차이에 스큐된 저항 값(b), 최소 차이에 스큐된 값(c).
