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

Lorsque des signaux numériques ou analogiques sont envoyés sur des connexions de courant, l'isolation des signaux les empêche de franchir la barrière entre les bornes d'émission et de réception. Ceci permet une différence entre les niveaux de masse ou de référence externes aux bornes d'émission et de réception pouvant aller jusqu'à plusieurs milliers de volts et évite les courants de boucle entre les différents potentiels de masse susceptibles d'endommager le signal. Le bruit sur la mise à la terre du signal peut endommager le signal. L'isolation peut séparer le signal à la terre d'un sous - système de signal propre. Dans une autre application, les connexions électriques entre les niveaux de référence peuvent générer des chemins de courant qui ne sont pas sûrs pour l'opérateur ou le patient. La nature du signal peut indiquer au concepteur du circuit les IC corrects que le système peut prendre en compte.

Le premier type de dispositif d'isolation ne dépend pas de l'émetteur et du récepteur pour franchir la barrière d'isolation. Un tel dispositif est utilisé pour les signaux numériques, mais les problèmes de linéarisation obligent à utiliser des transformateurs pour isoler les signaux analogiques et des porteuses modulées pour faire passer les signaux analogiques à travers cette barrière. Les transformateurs sont toujours difficiles à dire et il est souvent impossible de fabriquer des circuits intégrés, alors j'ai trouvé un circuit de condensateur pour coupler le signal modulé pour franchir les obstacles. La tension transitoire à haut taux de conversion agissant sur la grille d'isolement peut être utilisée comme signal pour un dispositif à grille à condensateur unique, et un circuit différentiel à deux condensateurs a donc été développé pour minimiser les erreurs. Actuellement, la technologie de barrière Capacitive a été appliquée aux dispositifs d'isolation numériques et analogiques.

1. Isoler le flux de données série

Il existe plusieurs options pour isoler les signaux numériques. Si le flux de données est bitserial, les options vont d'un simple optocoupleur à un émetteur - récepteur IC isolé. Les principales considérations de conception comprennent:

⢠débit de données requis

⢠exigences de puissance à l'extrémité isolée du système

⢠le canal de données doit - il être bidirectionnel?

Les optocoupleurs à LED sont la première technologie utilisée pour isoler les problèmes de conception. Il existe maintenant plusieurs ci à LED qui offrent des débits de données de 10 Mbps et plus. Une considération de conception importante est que la sortie lumineuse LED diminue au fil du temps. Il est donc nécessaire de fournir à la LED un courant trop important à un stade précoce pour qu'elle puisse encore fournir une intensité lumineuse de sortie suffisante au fil du temps. Comme la puissance disponible sur le côté isolé peut être limitée, 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 pour un simple étage logique de sortie, un circuit d'entraînement spécial est souvent nécessaire.

Pour les applications à grande vitesse et la transmission inverse de flux de données sous contrôle de Signaux logiques, un coupleur numérique ISO 150 de Burr Brown peut être utilisé. La figure 1 montre un circuit d'application bidirectionnel iso150. Le canal 1 contrôle le sens 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 le sens du flux de signaux. Le niveau haut transmis à l'extrémité B met l'extrémité du canal 2 en réception. Le niveau bas de la broche de mode appliquée à l'extrémité du canal 2a fait passer le canal en mode émission. L'état du signal directionnel est de part et d'autre de la barrière d'isolement. Ce circuit peut fonctionner à un débit de 80 MHz.

Une deuxième variante de communication série bits est un dispositif de système de bus différentiel en cours de développement. Ces systèmes sont décrits par les normes RS - 422, RS - 485 et can bus. Certains systèmes ont la chance d'avoir un point commun, tandis que beaucoup ont des nœuds avec des potentiels différents. Cela est particulièrement vrai lorsque deux nœuds sont distants. La norme ISO 422 de Burr Brown a été spécialement conçue pour les émetteurs - récepteurs isolés Full Duplex intégrés pouvant être utilisés dans ces applications. Cet émetteur - récepteur peut être configuré en semi - duplex et en Full - duplex (voir figure 2). Le taux de transfert peut atteindre 2,5 Mbps. L'appareil 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 pris en compte par le signal analogique sont totalement différents de ceux du signal numérique. Il est souvent nécessaire de considérer d'abord le signal analogique:

Précision ou linéarité

Réponse en fréquence

⢠précautions relatives au bruit

Les besoins en puissance, notamment pour l'étage d'entrée, doivent également être notés que la précision ou la linéarité de base de l'amplificateur d'isolement ne peut pas être améliorée par des circuits d'application correspondents, mais que ces circuits permettent de réduire le bruit et de réduire les besoins en consommation de l'étage d'entrée.

Burr brown's iso124 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, certaines limites du système de données d'échantillonnage doivent être respectées. 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'étage de sortie élimine la plupart des fréquences porteuses du signal de sortie, il reste une certaine quantité de signal porteur. La figure 4 montre un procédé de filtrage combiné pour réduire la pollution sonore haute fréquence du reste du système. Les filtres d'alimentation peuvent réduire considérablement le bruit entrant par les broches d'alimentation. Le filtre de sortie est un étage bipolaire de Sallen, Q est I et la fréquence 3db est de 50 kHz. Cela réduit l'ondulation de sortie d'un facteur 5.

Un autre problème avec la tension d'isolation est la puissance nécessaire à l'étage d'entrée. L'étage de sortie est généralement basé sur le châssis ou la masse et l'entrée est généralement flottante sur un autre potentiel. L'alimentation électrique de l'étage d'entrée doit donc également être isolée. Une seule source d'alimentation est généralement utilisée au lieu des sources d'alimentation idéales + 15V et - 15V.

La figure 5 montre qu'une alimentation à tension unique dans l'étage d'entrée iso124, combinée à un amplificateur double différentiel 1na2132, peut élever le pendule sur toute la plage des niveaux du signal d'entrée. La seule exigence est que la tension d'alimentation d'entrée reste supérieure à 9V, ce qui est requis pour la tension d'entrée iso124.

La moitié inférieure de l'ina2132 produit la moitié de la tension de sortie de l'alimentation vs +. Cette tension sert de pseudo - masse à la broche REF de l'autre moitié de l'ina2132 et à 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 de l'iso124, comme l'entrée, sera entièrement bipolaire.

3. Système de bus de données parallèle isolé

L'isolation des bus de données numériques parallèles ajoutera trois paramètres de conception plus importants:

Largeur de bit du bus

⢠déviations permises

⢠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 a deux modes de fonctionnement. Lorsque la broche cont est mise à l'état bas, les données sont transmises à travers la barrière en mode synchrone sous le contrôle du signal le1. Lorsque le1 est à l'état haut, les données sont transférées de la broche d'entrée à la bascule d'entrée. Lorsque le1 devient bas, les octets de données commencent à traverser la barrière. À ce stade, les broches d'entrée peuvent être utilisées pour la prochaine génération d'octets de données. Dans ce mode, le débit de données transmissible peut atteindre 2 Mbps.

Lorsque la broche cont est réglée à l'état haut, les données sont envoyées à travers la barrière sous le contrôle de l'horloge interne de 20 MHz de l'appareil. La transmission de données est asynchrone avec le signal d'activation de verrouillage externe. Les données sont sélectionnées en série de la bascule d'entrée à la bascule de sortie. Après qu'un octet ait été transféré, l'octet entier est déplacé dans la bascule de sortie qui Décale l'octet de données transmis. Pour Un octet complet de 8 bits, le retard de propagation sera inférieur à 1 Ms.

4. IC multifonctionnel pour l'isolation

Le nouvel IC d'acquisition de données polyvalent donne aux concepteurs la possibilité d'effectuer plusieurs tâches tout en traversant un écran isolé. Un dispositif complet d'acquisition de données peut comprendre plusieurs commutateurs analogiques, des amplificateurs d'instruments à gain programmables, des convertisseurs A / N 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 l'un de ces appareils. L'ads7870 fonctionne bien avec iso150, comme le montre la figure 6.

Dans cette application, chacune des fonctions programmables de l'ads7870 est placée sous le contrôle d'un microprocesseur maître dont la commande est elle - même réalisée par l'écriture d'une commande dans le registre au moyen d'un port de communication série.

Le choix du multiplexeur

4 canaux différentiels ou 8 canaux à extrémité unique

Réglages de gain programmables pour amplificateur d'instrument, 1ï½ 20

Initialisation de la conversion A / D 12 bits

Les 4 lignes d'E / s numériques de l'appareil sont également utiles et peuvent être spécifiées individuellement pour signaler l'état du signal numérique ou pour produire le signal numérique. Cela permet d'isoler certaines fonctions de support telles que la lecture d'un niveau ou d'un drapeau d'erreur via le même multiplexeur de signal étendu iso150.

Mot de fin

Dans les conceptions où le potentiel de la terre du système est très différent, il existe de nombreux dispositifs que les concepteurs peuvent choisir et utiliser. Chaque appareil est conçu pour répondre aux exigences uniques du système. L'intégration de haut niveau de performance du nouvel équipement permet des opérations plus complexes qui n'étaient pas possibles auparavant au - delà des barrières d'isolement.