Tecnología de PCB - Guía de diseño de PCB de alta velocidad 3: tecnología de aislamiento de señales

El aislamiento de señales impide que las señales digitales o analógicas pasen a través de la barrera entre los terminales de envío y recepción cuando se envían a través de una conexión galvánica. Esto permite que la diferencia entre el nivel de tierra o de referencia fuera de los terminales de transmisión y recepción sea tan alta como varios miles de voltios, y evita que las corrientes de bucle entre diferentes potenciales de tierra puedan dañar la señal. El ruido en el terreno de la señal puede dañar la señal. El aislamiento puede separar la señal a una tierra de subsistema de señal limpia. En otra aplicación, la conexión eléctrica entre los niveles de referencia puede crear una trayectoria de corriente que es insegura para el operador o el paciente. La naturaleza de la señal puede indicar al diseñador de circuitos aquellos circuitos integrados correctos que el sistema puede considerar.

El primer tipo de dispositivo de aislamiento no se basa en ningún transmisor ni receptor para cruzar la barrera de aislamiento. Este tipo de dispositivo se usó para señales digitales, pero el problema de linealización forzó el uso de transformadores para el aislamiento de señales analógicas, y la portadora modulada se usó para hacer que la señal analógica cruzara esta barrera. Los transformadores siempre son difíciles de decir, y generalmente es imposible hacer un IC, así que me ocurrió un circuito de condensador para acoplar la señal modulada para cruzar la barrera. La tensión transitoria de alta velocidad de conversión que actúa sobre la barrera de aislamiento puede usarse como una señal para un dispositivo de barrera de un solo condensador, por lo que se ha desarrollado un circuito diferencial de doble condensador para minimizar el error. Ahora la tecnología de barrera capacitiva se ha aplicado en dispositivos de aislamiento digital y analógico.

1.Aislar el flujo de datos en serie

Existe una amplia gama de opciones para aislar señales digitales. Si el flujo de datos es serial de bits, las opciones van desde simples optoacopladores hasta circuitos integrados transceptores aislados. Las principales consideraciones de diseño incluyen:

Tasa de datos requerida

Requisitos de alimentación en el extremo de aislamiento del sistema

• Si el canal de datos debe ser bidireccional

El acoplador óptico basado en LED es la primera tecnología utilizada para aislar problemas de diseño. Ahora hay varios IC basados es es en led, con una velocidad de datos de 10 Mbps o más. Una consideración de diseño importante es que la salida de Luz LED disminuye con el tiempo. Por lo tanto, en las primeras etapas se debe proporcionar una corriente excesiva al LED para que todavía pueda proporcionar suficiente intensidad de luz de salida con el tiempo. Debido a que la potencia disponible en el lado de aislamiento puede ser limitada, la necesidad de proporcionar una corriente excesiva es un problema grave. Debido a que la corriente de conducción requerida por el LED puede ser mayor que la corriente disponible en el nivel de salida lógica simple, generalmente se necesitan circuitos de conducción especiales.

Para aplicaciones de alta velocidad y la transferencia inversa de flujos de datos bajo control de señal lógica, se puede usar el acoplador digital ISO 150 de Burr-Brown. La Figura 1 muestra el circuito de aplicación bidireccional ISO150. El canal 1 controla la dirección de transmisión del canal 2 y está configurado para transmitir desde el extremo A al extremo B. La señal aplicada al pasador DIA determina la dirección del flujo de señal. El nivel alto enviado al extremo B pone el extremo del canal 2 en modo de recepción. El nivel bajo aplicado al pasador de modo en el extremo 2A del canal pone el canal en el modo de envío. El estado de la señal de dirección está a ambos lados de la barrera de aislamiento. Este circuito puede funcionar a una velocidad de datos de 80 MHz.

La segunda variante de comunicación bit-serie es el dispositivo de sistema de bus diferencial en desarrollo. Estos sistemas están descritos por los estándares RS-422, RS-485 y CANbus. Algunos sistemas tienen la suerte de tener un terreno común, y muchos sistemas tienen nodos con diferentes potenciales. Esto es especialmente cierto cuando los dos nodos están separados por una cierta distancia. La norma ISO 422 de Burr-Brown está diseñada para transceptores aislados integrados full-duplex que se pueden usar en estas aplicaciones. Este transceptor puede configurarse como medio-dúplex y completo-dúplex (véase la Figura 2). La velocidad de transmisión puede llegar a 2,5 Mbps. Este dispositivo incluso incluye una función de prueba de bucle (Loop-back), por lo que cada nodo puede realizar una función de auto-prueba. Durante este modo, se ignoran los datos del bus.

2. aislamiento de señal analógica

En muchos sistemas, las señales analógicas deben aislarse. Los parámetros del circuito considerados por las señales analógicas son completamente diferentes de las señales digitales. La señal analógica generalmente debe considerarse primero:

• Precisión o linealidad

• Respuesta de frecuencia

• Consideraciones de ruido

Los requisitos de potencia, especialmente para los niveles de entrada, también deben tener en cuenta que la precisión básica o la lineal de los amplificadores de aislamiento no se pueden mejorar a través de los circuitos de aplicación correspondientes, pero estos circuitos pueden reducir el ruido y reducir los requisitos de potencia para los niveles de entrada.

La norma ISO124 de Burr-Brown simplifica el aislamiento analógico. La señal de entrada se modula en el ciclo de trabajo y se envía digitalmente a través de la barrera. La parte de salida recibe la señal modulada, la vuelve a convertir en voltaje analógico y elimina el componente de ondulación inherente en el proceso de modulación/desmodulación. Debido a la modulación y desmodulación de la señal de entrada, se deben seguir algunas limitaciones del sistema de datos de muestreo. El modulador funciona a una frecuencia fundamental de 500kHz, por lo que las señales de entrada superiores a la frecuencia Ngquist de 250kHz presentan componentes de frecuencia inferior en la salida.

Aunque el nivel de salida elimina la mayor parte de la frecuencia portadora de la señal de salida, todavía hay una cierta cantidad de señal portadora. La figura 4 muestra un método de filtrado combinado para reducir la contaminación acústica de alta frecuencia en el resto del sistema. El filtro de alimentación puede reducir significativamente el ruido que entra desde el pin de alimentación. El filtro de salida es un nivel clave de Sallen bipolar, q es I y la frecuencia de 3db es de 50khz. Esto reduce la onda de salida cinco veces.

Otro problema con el voltaje de aislamiento es la Potencia necesaria para el nivel de entrada. La etapa de salida suele basarse en el recinto o en el suelo, y la entrada suele flotar sobre otro potencial. Por lo tanto, la fuente de alimentación del nivel de entrada también debe aislarse. Por lo general, se utiliza una sola fuente de alimentación, en lugar de la ideal + 15v y - 15v.

La Figura 5 muestra que una fuente de alimentación de voltaje único en la etapa de entrada ISO124 combinada con un amplificador diferencial doble 1NA2132 puede impulsar el oscilación a todo el rango del nivel de señal de entrada. El único requisito es que la tensión de alimentación de entrada siga siendo mayor que 9V, lo que se requiere para la tensión de entrada ISO124.

La mitad inferior del INA2132 produce la mitad del voltaje de salida de una fuente de alimentación VS+. Esta tensión se utiliza como una pseudo tierra para el pin REF de la otra mitad de INA2132 y la entrada GND de ISO124. La oscilación de la señal de entrada diferencial del INA2132 puede ser mayor o menor que el nuevo nivel de referencia. La salida de ISO124, como la entrada, será completamente bipolar.

3. Sistema de bus de datos paralelo aislado

El aislamiento de los buses de datos digitales paralelos aumentará tres parámetros de diseño más importantes:

• El ancho de bits del bus

• Desviación permitida

• Requisitos de velocidad del reloj

Esta tarea se puede realizar con una fila de optoacopladores, pero los circuitos de soporte pueden ser muy complejos. La falta de coincidencia en el tiempo de propagación entre los optoacopladores causará un desplazamiento de datos, lo que causará errores de datos en el extremo receptor. Para minimizar este problema, el acoplador digital aislado ISO508 (Figura 3) soporta almacenamiento en memoria intermedia de datos doble en la entrada y la salida. Esta configuración transmitirá datos a una velocidad de 2MBps.

ISO508 tiene dos modos de trabajo. Cuando el pin CONT se establece en un estado bajo, bajo el control de la señal LE1, los datos se transmiten a través de la barrera en un modo sincrónico. Cuando LE1 está en el estado alto, los datos se transfieren desde el pasador de entrada al pestillo de entrada. Cuando LE1 baja, los bytes de datos comienzan a viajar a través de la barrera. En este momento, el pin de entrada puede usarse para bytes de datos de próxima generación. En este modo, la velocidad de datos transferibles puede alcanzar 2MBps.

Cuando el pin CONT se ajusta a un estado alto, los datos se envían a través de la barrera bajo el control del reloj interno de 20 MHz del dispositivo. La transmisión de datos es asíncrona a la señal de activación del bloqueo externo. Los datos se trasladan del bloqueo de entrada al bloqueo de salida en forma serial. Después de transferir un byte, todo el byte se mueve al bloqueo de salida y el bloqueo de salida compensará el byte de datos transferidos. Para un byte completo de 8 bits, el retraso de propagación será inferior a 1 ms.

4. IC multifuncional para el aislamiento

El nuevo IC de adquisición de datos multifuncional ofrece a los diseñadores la oportunidad de completar múltiples tareas mientras cruzan la pantalla de aislamiento. Un dispositivo de adquisición de datos completo puede incluir múltiples conmutadores analógicos, amplificadores de instrumentación de ganancia programables, convertidores A/D y uno o más canales de E/S digitales. Todas estas funciones se controlan a través de un puerto de datos serie. El ADS7870 de Burr-Brown es tal dispositivo. El ADS7870 funciona muy bien con ISO150 y se muestra en la Figura 6.

En esta aplicación, cada función programable del ADS7870 se coloca bajo el control del microprocesador principal, y el control del microprocesador mismo se realiza mediante la escritura de comandos al registro a través del puerto de comunicación en serie.

• Elección del multiplexor

4 canales diferenciales o 8 canales de un solo extremo

• Configuración programable de ganancia del amplificador de instrumentación, 1ï½ Ž20

• Inicialización de conversión A/D de 12 bits

Las 4 líneas de E/S digitales de este dispositivo también son útiles y pueden especificarse individualmente para informar el estado de señales digitales o señales digitales de salida. Esto permite el aislamiento de ciertas funciones de soporte, tales como la lectura de banderas de nivel o error a través del mismo multiplexador de señal de extensión ISO150.

Observaciones finales

Hay muchos dispositivos disponibles para que los diseñadores elijan y usen en el diseño de PCB donde el potencial de tierra del sistema es muy diferente. Cada dispositivo está diseñado para requisitos de sistema únicos. El alto nivel de integración de rendimiento de los nuevos dispositivos permite operaciones más complejas que antes eran imposibles de lograr a través de la barrera de aislamiento.