Technologie PCB - Guide de conception de PCB haute vitesse III: technologie d'isolation du signal

L'isolation du signal empêche les signaux numériques ou analogiques de traverser la barrière entre les bornes d'envoi et de réception lorsqu'ils sont envoyés par une connexion galvanique. Cela permet que la différence entre le niveau de masse ou de référence en dehors des bornes d'émission et de réception soit aussi élevée que plusieurs milliers de volts, et évite que les courants de boucle entre différents potentiels de masse puissent endommager le signal. Le bruit au sol du signal peut endommager le signal. L'isolation peut séparer le signal à une terre de sous-système de signal propre. Dans une autre application, la connexion électrique entre les niveaux de référence peut créer un chemin de courant qui est dangereux pour l'opérateur ou le patient. La nature du signal peut indiquer au concepteur de circuit les circuits intégrés corrects que le système peut considérer.

Le premier type de dispositif d'isolation ne repose sur aucun émetteur et aucun récepteur pour traverser la barrière d'isolation. Ce type d'appareil a été utilisé pour les signaux numériques, mais le problème de linéarisation a forcé l'utilisation de transformateurs pour l'isolation du signal analogique, et la porteuse modulée a été utilisée pour faire traverser le signal analogique cette barrière. Les transformateurs sont toujours difficiles à dire, et il est généralement impossible de faire un IC, donc j'ai inventé un circuit de condensateur pour coupler le signal modulé pour traverser la barrière. La tension transitoire à taux de conversion élevé agissant sur la barrière d'isolation peut être utilisée comme signal pour un dispositif de barrière à condensateur unique, de sorte qu'un circuit différentiel à double condensateur a été développé pour minimiser l'erreur. Maintenant, la technologie de barrière capacitive a été appliquée dans les dispositifs d'isolation numériques et analogiques.

1. Isoler le flux de données série

Il existe un large éventail d'options pour isoler les signaux numériques. Si le flux de données est bit-série, les options vont de simples optocoupleurs à des circuits intégrés émetteurs-récepteurs isolés. Les principales considérations de conception comprennent:

Taux de données requis

Exigences d'alimentation pour les extrémités isolées du système

• Si le canal de données doit être bidirectionnel

Les optocoupleurs à LED sont la première technologie utilisée pour isoler les problèmes de conception. Plusieurs circuits intégrés à LED sont maintenant disponibles avec des débits de données de 10 Mbps et plus. Une considération importante de conception est que la sortie lumineuse LED diminue avec le temps. Par conséquent, un courant excessif doit être fourni à la LED au stade précoce afin que l'intensité lumineuse de sortie suffisante puisse encore être fournie au fil du temps. Comme il peut y avoir une puissance limitée disponible sur le côté isolé, la nécessité de fournir un courant excessif est un problème sérieux. Comme le courant d'entraînement requis par la LED peut être supérieur au courant disponible à partir de l'étape de sortie logique simple, un circuit d'entraînement spécial est souvent nécessaire.

Pour les applications à grande vitesse et le transfert inverse de flux de données sous contrôle de signal logique, le coupleur numérique ISO 150 de Burr-Brown peut être utilisé. La figure 1 montre le circuit d'application bidirectionnel ISO150. Le canal 1 commande la direction de transmission du canal 2 et est configuré pour transmettre de l'extrémité A à l'extrémité B. Le signal appliqué à la broche DIA détermine la direction du flux de signal. Le niveau élevé envoyé à l'extrémité B met l'extrémité du canal 2 en mode de réception. Le niveau bas appliqué à la broche Mode à l'extrémité 2A du canal met le canal en mode d'envoi. L'état du signal de direction est des deux côtés de la barrière d'isolation. Ce circuit peut fonctionner à un débit de données de 80MHz.

La deuxième variante de communication bit-série est le dispositif de système de bus différentiel en développement. Ces systèmes sont décrits par les normes RS-422, RS-485 et CANbus. Certains systèmes ont la chance d'avoir un terrain commun, et de nombreux systèmes ont des nœuds avec des potentiels différents. Cela est particulièrement vrai lorsque les deux nœuds sont séparés par une certaine distance. La norme ISO 422 de Burr-Brown est conçue pour les émetteurs-récepteurs isolés full-duplex intégrés qui peuvent être utilisés dans ces applications. Cet émetteur-récepteur peut être configuré en semi-duplex et full-duplex (voir figure 2). Le taux de transmission peut atteindre 2,5 Mbps. Ce dispositif comprend même une fonction de test de boucle (Loop-back), de sorte que chaque nœud peut effectuer une fonction d'auto-test. Dans ce mode, les données sur le bus sont ignorées.

2.Isolation du signal analogique

Dans de nombreux systèmes, les signaux analogiques doivent être isolés. Les paramètres du circuit considérés par les signaux analogiques sont complètement différents des signaux numériques. Le signal analogique doit généralement être considéré d'abord:

• Précision ou linéarité

Réponse en fréquence

• Considérations relatives au bruit

Les besoins en puissance, en particulier pour l'étape d'entrée, devraient également porter attention à la précision de base ou la linéarité de l'amplificateur d'isolation ne peut pas être améliorée par les circuits d'application correspondants, mais ces circuits peuvent réduire le bruit et réduire les besoins en puissance de l'étape d'entrée.

Iso124 de Burr Brown simplifie l'isolation analogique. Le signal d'entrée est modulé en rapport cyclique et envoyé numériquement à travers la barrière. La partie de sortie reçoit le signal modulé, le reconvertit en tension analogique et élimine les composantes d'ondulation intrinsèques lors de la modulation / démodulation. En raison de la modulation et de la démodulation du signal d'entrée, le système de données d'échantillonnage doit respecter certaines limites. Le modulateur fonctionne à une fréquence fondamentale de 500 kHz, de sorte que les signaux d'entrée supérieurs à la fréquence de ngquist de 250 kHz présentent une composante fréquentielle inférieure en sortie.

Bien que l'étape de sortie supprime la majeure partie de la fréquence porteuse dans le signal de sortie, il y a encore une certaine quantité de signal porteur. La figure 4 montre une méthode de filtrage combinée pour réduire la pollution sonore haute fréquence dans le reste du système. Le filtre d'alimentation peut réduire considérablement le bruit entrant de la broche d'alimentation. Le filtre de sortie est un étage à clé Sallen bipolaire avec un Q de I et une fréquence de 3dB de 50kHz. Cela réduit la ondulation de sortie de 5 fois.

Un autre problème avec la tension d'isolation est la puissance requise par l'étape d'entrée. L'étape de sortie est généralement basée sur le châssis ou la masse, et l'entrée flotte généralement sur un autre potentiel. Par conséquent, l'alimentation de l'étage d'entrée doit également être isolée. Habituellement, une seule source d'alimentation est utilisée au lieu des sources d'alimentation idéales +15V et -15V.

La figure 5 montre qu'une alimentation à tension unique dans l'étape d'entrée ISO124 combinée à un amplificateur double différentiel 1NA2132 peut augmenter l'oscillation à toute la gamme du niveau du signal d'entrée. La seule condition est que la tension d'alimentation d'entrée reste supérieure à 9V, ce qui est nécessaire pour la tension d'entrée ISO124.

La moitié inférieure de l'INA2132 produit la moitié de la tension de sortie d'une alimentation VS+. Cette tension est utilisée comme pseudo-masse pour la broche REF de l'autre moitié de l'INA2132 et l'entrée GND de l'ISO124. L'oscillation du signal d'entrée différentiel de l'INA2132 peut être supérieure ou inférieure au nouveau niveau de référence. La sortie d'ISO124, comme l'entrée, sera complètement bipolaire.

3. Système de bus de données parallèle isolé

L'isolement des bus de données numériques parallèles augmentera trois paramètres de conception importants :

• La largeur du bit du bus

• Déviation autorisée

• Exigences de vitesse d'horloge

Cette tâche peut être effectuée avec une rangée d'optocoupleurs, mais les circuits de support peuvent être très complexes. Un décalage de temps de propagation entre les optocoupleurs provoquera un décalage des données, ce qui entraînera une erreur de données à la réception. Pour minimiser ce problème, le coupleur numérique isolé iso508 (Figure 3) prend en charge la double mise en mémoire tampon des données en entrée et en sortie. Cette configuration transférera les données à un débit de 2 Mbps.

ISO508 dispose de deux modes de fonctionnement. Lorsque la broche CONT est mise à un état bas, sous le contrôle du signal LE1, les données sont transmises à travers la barrière en mode synchrone. Lorsque LE1 est à l'état élevé, les données sont transférées de la broche d'entrée au verrou d'entrée. Lorsque LE1 baisse, les octets de données commencent à traverser la barrière. À ce moment, la broche d'entrée peut être utilisée pour les octets de données de nouvelle génération. Dans ce mode, le débit de données transférables peut atteindre 2 Mbps.

Lorsque la broche CONT est réglée à un état élevé, les données sont envoyées à travers la barrière sous le contrôle de l'horloge interne de 20MHz du dispositif. La transmission de données est asynchrone au signal d'activation de verrouillage externe. Les données sont passées du verrou d'entrée au verrou de sortie sous forme série. Après le transfert d'un octet, l'octet entier est déplacé dans le verrou de sortie et le verrou de sortie compensera l'octet de données transféré. Pour un octet complet de 8 bits, le retard de propagation sera inférieur à 1ms.

4. IC isolé multifonctionnel

Le nouveau IC d'acquisition de données multifonctionnel permet aux concepteurs d'effectuer plusieurs tâches tout en traversant l'écran d'isolation. Un dispositif d'acquisition de données complet peut inclure plusieurs commutateurs analogiques, des amplificateurs d'instrumentation de gain programmables, des convertisseurs A/D et un ou plusieurs canaux d'E/S numériques. Toutes ces fonctions sont contrôlées via un port de données série. L'ADS7870 de Burr-Brown est un tel appareil. L'ADS7870 fonctionne très bien avec l'ISO150 et est montré sur la figure 6.

Dans cette application, chaque fonction programmable de l'ADS7870 est placée sous le contrôle du microprocesseur principal, et le contrôle du microprocesseur lui-même est réalisé en écrivant des commandes au registre à travers le port de communication série.

• Choix du multiplexeur

4 canaux différentiels ou 8 canaux à extrémité unique

• Réglage de gain programmable de l'amplificateur d'instrumentation, 1ï½ Ž20

• Initialisation de la conversion A/D 12 bits

Les 4 lignes d'E/S numériques de ce dispositif sont également utiles et peuvent être spécifiées individuellement pour signaler l'état des signaux numériques ou des signaux numériques de sortie. Cela permet l'isolement de certaines fonctions de support, telles que la lecture de drapeau de niveau ou d'erreur via le même multiplexeur de signal d'extension ISO150.

Observations finales

Il existe de nombreux dispositifs disponibles pour les concepteurs de choisir et d'utiliser dans la conception de PCB où le potentiel au sol du système est très différent. Chaque appareil est conçu pour répondre à des exigences de système uniques. Le niveau élevé d'intégration des performances des nouveaux dispositifs permet des opérations plus complexes qui étaient auparavant impossibles à réaliser à travers la barrière d'isolation.