Leiterplattentechnisch - High-Speed PCB Design Guide drei: Signal Isolation Technologie

Signalisolierung verhinderns digital oder analog signals von passdurch die Barriere zwischen sEnde- und Empfangsterminals wenn sie sdurch eine galvanische Verbindung. This zulassens die Differenz zwischen dem Boden- oder Referenzniveausid the TransMitting- und Empfangsterminals to be as hoch as sewig dusund volts, und verhinderns Schleifenstroms zwischen verschiedenen Bodenpotentialens die die signal. Noise auf der sUnordentlicher Boden kann die signal. Isolation can sdie signol to a clean signal sbsysBoden. In einem anderen Antrag, die elektrische Verbindung zwischen dem Referenzpegels kann einen aktellen Pfad erstellen, ders unsSicherheit für den Bediener oder Patienten. Die Natur der signal kann der Schaltung anzeigen Designer those korrekter ICs dass die sysm kannsider.

Die erste Art von Isolationsvorrichtung beruht auf keinem Sender und Empfänger, um die Isolationsbarriere zu überschreiten. Diese Art von Gerät wurde für digitale Signale verwendet, aber das LinearisierungsProblem zwang die Verwendung von Transformatoren für die analoge Signalisolierung, und der modulierte Träger wurde verwendet, um das analoge Signal diese Barriere zu überschreiten. Transformatoren sind immer schwer zu sagen, und es ist normalerweise unmöglich, einen IC herzustellen, also habe ich eine Kondensatorschaltung entwickelt, um das modulierte Signal zu koppeln, um die Barriere zu überqueren. Die Transientenspannung mit hoher Umwandlungsrate, die auf die Isolationsbarriere einwirkt, kann als Signal für eine Einzelkondensator-Barrierevorrichtung verwendet werden, so dass eine Dual-Kondensator-Differenzschaltung entwickelt wurde, um den Fehler zu minimieren. Jetzt kommt die kapazitive Barrieretechnologie in digitalen und analogen Isolationsgeräten zum Einsatz.

1. Trennen Sie den seriellen Datenstrom

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, digitale Signale zu isolieren. Ist der Datenstrom bitseriell, reichen die Optionen von einfachen Optokopplern bis hin zu isolierten TransEmpfänger-ICs. Zu den wichtigsten Designüberlegungen gehören:

• Erforderliche Datenrate

• Energiebedarf für das isolierte Ende des Sysms

• Ob der Datenkanal bidirektional sein muss

LED-basOptokopplers sind die Tannenst Technologie used to isolat Design issues. Mehrere LED-basd ICs sind jetzt auch mit Datenrate verfügbars von 10Mbps und darüber. Eine wichtige Design consErwägung is dass die LED-Lichtleistung abnimmtses im Laufe der Zeit. Daher, excessiv Strom musDie LED wird in den frühen sTag so dass sausreichend Ausgangslicht intensivsEs kann sbis im Laufe der Zeit zur Verfügung gestellt werden. Da auf dem i-solated side, die Notwendigkeit,ssiv Strom is a sZeitraums problem. Because der von der LED benötigte Antriebsstrom kann größer sein als der vom sImple Logik Ausgabe sTag, a sspezieller Antriebskreis is häufig erforderlich.

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen und die Rückübertragung von Datenströmen unter Logiksignalsteuerung kann der digitale Koppler ISO 150 von Burr-Brown verwendet werden. Abbildung 1 zeigt die bidirektionale Anwendungsschaltung ISO150. Kanal 1 steuert die Übertragungsrichtung von Kanal 2 und ist so konfiguriert, dass er von Ende A nach Ende B sendet. Das Signal, das auf den DIA-Pin angewendet wird, bestimmt die Richtung des Signalflusses. Der hohe Pegel, der an Ende B gesendet wird, versetzt das Ende des Kanals 2 in den Empfangsmodus. Der niedrige Pegel, der auf den Mode-Pin am 2A-Ende des Kanals angewendet wird, versetzt den Kanal in den Sendemodus. Der Zustand des Richtungssignals befindet sich auf beiden Seiten der Isolationsbarriere. Diese Schaltung kann mit einer Datenrate von 80MHz arbeiten.

Die zweite Variante der bit-seriellen Kommunikation ist das in Entwicklung befindliche Differenzbussysm. Diese Sysme werden durch RS-422, RS-485 und CANbus SStandards beschrieben. Einige Systeme haben das Glück, eine gemeinsame Basis zu haben, und viele Systeme haben Knoten mit unterschiedlichen Potentialen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die beiden Knoten durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind. Die ISO 422 von Burr-Brown wurde für integrierte isolierte Vollduplex-Transceiver entwickelt, die in diesen Anwendungen verwendet werden können. Dieser Transceiver kann als Halbduplex und Vollduplex konfiguriert werden (siehe Abbildung 2). Die Übertragungsrate kann 2,5Mbps erreichen. Dieses Gerät enthält sogar eine Loop-Back-Testfunktion, so dass jeder Knoten eine Selbsttest-Funktion ausführen kann. In diesem Modus werden Daten auf dem Bus ignoriert.

2. Analoge Signalisolierung

In vielen Systemen müssen analoge Signale isoliert werden. Die von analogen Signalen betrachteten SchaltungsParameter unterscheiden sich völlig von digitalen Signalen. Das analoge Signal muss in der Regel zuerst berücksichtigt werden:

Genauigkeit oder Linearität

Frequenzgang

• Überlegungen zum Lärm

Leistungsanforderungen, insbesondere für die Eingangsstufe, sollten auch darauf achten, dass die Grundgenauigkeit oder Linearität des Isolationsverstärkers nicht durch die entsprechenden Anwendungsschaltungen verbessert werden kann, aber diese Schaltungen können Rauschen reduzieren und den Leistungsbedarf der Eingangsstufe verringern.

Die ISO124 von Burr-Brown vereinfacht die analoge Isolation. Das Eingangssignal wird Duty Cycle moduliert und digital über die Barriere gesendet. Der Ausgangsteil empfängt das modulierte Signal, wandelt es zurück in analoge Spannung und entfernt die inhärente Ripple-Komponente im Modulations-/Demodulationsprozess. Aufgrund der Modulation und Demodulation des Eingangssignals sollten einige Einschränkungen des Sampling-Datensystems beachtet werden. Der Modulator arbeitet mit einer Grundfrequenz von 500kHz, so dass Eingangssignale über 250kHz Ngquist Frequenz niedrigere Frequenzkomponenten im Ausgang aufweisen.

Obwohl die Ausgangsstufe den größten Teil der Trägerfrequenz im Ausgangssignal entfernt, gibt es immer noch eine bestimmte Menge an Trägersignal. Abbildung 4 zeigt eine kombinierte Filtermethode zur Reduzierung der hochfrequenten Lärmbelastung im Rest des Systems. Der Stromversorgungsfilter kann das vom Stromversorgungsstift eintretende Rauschen erheblich reduzieren. Der Ausgangsfilter ist eine zweipolige Sallen-Tastenstufe mit einem Q of I und einer 3dB Frequenz von 50kHz. Dadurch wird die Ausgangswelligkeit um das 5-fache reduziert.

Ein weiteres Problem bei der Isolationsspannung ist die Leistung, die von der Eingangsstufe benötigt wird. Die Ausgangsstufe basiert normalerweise auf dem Chassis oder dem Boden, und der Eingang schwebt normalerweise auf einem anderen Potential. Daher muss auch die Stromversorgung der Eingangsstufe isoliert werden. Normalerweise wird anstelle der idealen +15V und -15V Netzteile ein einzelnes Netzteil verwendet.

Abbildung 5 zeigt, dass eine einzelne Spannungsversorgung in der ISO124 Eingangsstufe in Kombination mit einem 1NA2132 dualen Differenzverstärker den Schwung auf den vollen Bereich des Eingangssignalpegels steigern kann. Einzige Voraussetzung ist, dass die Eingangsspannung größer als 9V bleibt, was für die ISO124 Eingangsspannung erforderlich ist.

Die untere Hälfte des INA21332 erzeugt die Hälfte der Ausgangsspannung eines VS+-Netzteils. Diese Spannung wird als Pseudo-Masse für den REF-Pin der anderen Hälfte des INA21332 und den GND-Eingang von ISO124 verwendet. Das Schwingen des differenziellen Eingangssignals des INA21332 kann höher oder niedriger sein als der neue Referenzpegel. Der Ausgang von ISO124 wird, wie der Eingang, vollständig bipolar sein.

3. Isoliertes paralleles Datenbussystem

Die Isolierung paralleler digitaler Datenbusse erhöht drei weitere wichtige Designparameter:

• Die Bit-Breite des Busses

• Zulässige Abweichung

• Anforderungen an die Taktgeschwindigkeit

Diese Aufgabe kann mit einer Reihe von Optokopplern erledigt werden, aber die unterstützenden Schaltkreise können sehr komplex sein. Die Fehlübereinstimmung der Ausbreitungszeit zwischen den Optokopplern führt zu einem Datenversatz, der Datenfehler am Empfangsende verursacht. Um dieses Problem zu minimieren, unterstützt der isolierte Digitalkoppler ISO508 (Abbildung 3) die doppelt gepufferte Datenpufferung am Ein- und Ausgang. Diese Konfiguration überträgt Daten mit einer Geschwindigkeit von 2MBps.

ISO508 hat zwei Arbeitsmodi. Wenn der CONT-Pin auf einen niedrigen Zustand eingestellt ist, werden unter der Steuerung des LE1-Signals Daten synchron über die Barriere übertragen. Wenn sich LE1 im hohen Zustand befindet, werden Daten vom Eingangspin an den Eingangsriegel übertragen. Wenn LE1 niedrig wird, beginnen Datenbytes über die Barriere zu reisen. Zu diesem Zeitpunkt kann der Eingangspin für Datenbytes der nächsten Generation verwendet werden. In diesem Modus kann die übertragbsind Datenrate 2MBps erreichen.

Wenn der CONT-Pin auf einen hohen Zustand eingestellt ist, werden die Daten über die Barriere unter der Steuerung der internen 20MHz-Uhr des Geräts gesendet. Die Datenübertragung erfolgt asynchron zum externen Latch Enable Signal. Die Daten werden in serieller Form von Input Latch zu Output Latch gestrebelt. Nachdem ein Byte übertragen wurde, wird das gesamte Byte in den Output Latch verschoben und der Output Latch versetzt das übertragene Datenbyte. Für ein vollständiges 8-Bit Byte beträgt die Ausbreitungsverzögerung weniger als 1ms.

4. Multifunktionaler IC zur Isolierung

Der neue multifunktionale Datenerfassungs-IC gibt Designern die Möglichkeit, mehrere Aufgaben zu erledigen, während sie den Isolationsbildschirm überqueren. Ein komplettes Datenerfassungsgerät kann mehrere analoge Schalter, programmierbare Verstärkungsverstärker, A/D-Wandler und einen oder mehrere digitale I/O-Kanäle umfassen. Alle diese Funktionen werden über einen seriellen Datenport gesteuert. Burr-Browns ADS7870 ist ein solches Gerät. ADS7870 funktioniert sehr gut mit ISO150 und ist in Abbildung 6 dargestellt.

In dieser Anwendung wird jede programmierbare Funktion des ADS7870 unter die Steuerung des Hauptmikroprozessors gestellt, und die Steuerung des Mikroprozessors selbst wird realisiert, indem Befehle über den seriellen Kommunikationsport in das Register geschrieben werden.

• Wahl des Multiplexers

• 4 differentielle Kanäle oder 8 single-ended Kanäle

• Programmierbare Verstärkungseinstellung des Instrumentierungsverstärkers, 1～20

• Initialisierung der 12-Bit A/D Konvertierung

Die 4-digitalen I/O-Leitungen dieses Gerätes sind ebenfalls nützlich und können individuell spezifiziert werden, um den Status digitaler Signale zu melden oder digitale Signale auszugeben. Dies ermöglicht die Isolierung bestimmter Unterstützungsfunktionen, wie z.B. Pegel- oder Fehlerflaggenlesung über denselben ISO150-Erweiterungssignalmultiplexer.

Schlussbemerkungen

Diere are many devices verfügbar für Designers to choose und use in Designs wo das Bodenpotential der sysm is sehr unterschiedlich. Jedes Gerät is Designfür einzigartige sysTem-Anforderungs. Die high level of performance integration of the new devices Aktivierens komplexer Betriebs die vorher warensI impossin der Lage, acro zu erreichenss die isUlationsbarriere.