PCB Tecnico - Guida di progettazione PCB ad alta velocità tre: tecnologia di isolamento del segnale

L'isolamento del segnale impedisce ai segnali digitali o analogici di passare attraverso la barriera tra i terminali di invio e di ricevimento quando vengono inviati attraverso una connessione galvanica. Ciò consente che la differenza tra il livello di terra o di riferimento al di fuori dei terminali di trasmissione e ricezione sia alta fino a diverse migliaia di volt e impedisce che le correnti di loop tra diversi potenziali di terra possano danneggiare il segnale. Il rumore sulla terra del segnale può danneggiare il segnale. L'isolamento può separare il segnale da un sottosistema di segnale pulito. In un'altra applicazione, la connessione elettrica tra i livelli di riferimento può creare un percorso di corrente che non è sicuro per l'operatore o il paziente. La natura del segnale può indicare al progettista del circuito quei IC corretti che il sistema può considerare.

Il primo tipo di dispositivo di isolamento si basa su nessun trasmettitore e ricevitore per attraversare la barriera di isolamento. Questo tipo di dispositivo è stato utilizzato per i segnali digitali, ma il problema della linearizzazione ha costretto l'uso di trasformatori per l'isolamento del segnale analogico, e il vettore modulato è stato utilizzato per far attraversare il segnale analogico questa barriera. I trasformatori sono sempre difficili da dire, e di solito è impossibile fare un IC, quindi ho ideato un circuito di condensatore per accoppiare il segnale modulato per attraversare la barriera. La tensione transitoria ad alto tasso di conversione che agisce sulla barriera di isolamento può essere utilizzata come segnale per un dispositivo di barriera a singolo condensatore, quindi è stato sviluppato un circuito differenziale a doppio condensatore per minimizzare l'errore. Ora la tecnologia di barriera capacitiva è stata applicata in dispositivi di isolamento digitali e analogici.

1.Isolare il flusso di dati seriali

Esiste una vasta gamma di opzioni per l'isolamento dei segnali digitali. Se il flusso di dati è bit-seriale, le opzioni vanno dai semplici optocoupler ai circuiti integrati isolati del ricetrasmettitore. Le principali considerazioni di progettazione comprendono:

• Tasso di dati richiesto

• Requisiti di potenza per l'estremità isolata del sistema

• Se il canale dati deve essere bidirezionale

Gli optocoupler basati su LED sono la prima tecnologia utilizzata per isolare i problemi di progettazione. Diversi IC basati su LED sono ora disponibili con velocità di dati di 10Mbps e superiori. Un'importante considerazione di progettazione è che l'uscita di luce LED diminuisce nel tempo. Pertanto, una corrente eccessiva deve essere fornita al LED nella fase iniziale in modo che possa ancora essere fornita una sufficiente intensità luminosa di uscita nel tempo. Poiché può essere disponibile una potenza limitata sul lato isolato, la necessità di fornire corrente eccessiva è un grave problema. Poiché la corrente di azionamento richiesta dal LED può essere superiore alla corrente disponibile dalla semplice fase di uscita logica, è spesso necessario un circuito di azionamento speciale.

Per applicazioni ad alta velocità e il trasferimento inverso di flussi di dati sotto controllo del segnale logico, può essere utilizzato il accoppiatore digitale ISO 150 di Burr-Brown. La figura 1 mostra il circuito di applicazione bidirezionale ISO150. Il canale 1 controlla la direzione di trasmissione del canale 2 ed è configurato per trasmettere dall'estremità A all'estremità B. Il segnale applicato al pin DIA determina la direzione del flusso del segnale. L'alto livello inviato all'estremità B mette l'estremità del canale 2 in modalità ricevente. Il livello basso applicato al pin Mode all'estremità 2A del canale mette il canale in modalità di invio. Lo stato del segnale di direzione è su entrambi i lati della barriera di isolamento. Questo circuito può funzionare a una velocità di dati di 80MHz.

La seconda variante di comunicazione bit-seriale è il dispositivo di sistema bus differenziale in fase di sviluppo. Questi sistemi sono descritti dagli standard RS-422, RS-485 e CANbus. Alcuni sistemi sono fortunati ad avere un terreno comune, e molti sistemi hanno nodi con potenziali diversi. Ciò è particolarmente vero quando i due nodi sono separati da una certa distanza. La norma ISO 422 di Burr-Brown è progettata per trasmettitori isolati full-duplex integrati che possono essere utilizzati in queste applicazioni. Questo trasmettitore può essere configurato come semi-duplex e full-duplex (vedi Figura 2). La velocità di trasmissione può raggiungere 2,5 Mbps. Questo dispositivo include anche una funzione di test loop (Loop-back), in modo che ogni nodo possa eseguire una funzione di auto-test. Durante questa modalità, i dati sul bus vengono ignorati.

Isolamento del segnale 2.Analog

In molti sistemi, i segnali analogici devono essere isolati. I parametri del circuito considerati dai segnali analogici sono completamente diversi dai segnali digitali. Il segnale analogico di solito deve essere considerato per primo:

•Precisione o linearità

• Risposta di frequenza

# Considerazioni sul rumore #

I requisiti di potenza, specialmente per lo stadio di ingresso, dovrebbero anche prestare attenzione alla precisione di base o alla linearità dell'amplificatore di isolamento non può essere migliorata dai corrispondenti circuiti di applicazione, ma questi circuiti possono ridurre il rumore e ridurre i requisiti di potenza dello stadio di ingresso.

L'ISO124 di Burr-Brown semplifica l'isolamento analogico. Il segnale di ingresso è modulato e inviato digitalmente attraverso la barriera. La parte di uscita riceve il segnale modulato, lo riconverte in tensione analogica e rimuove il componente di ondulazione intrinseco nel processo di modulazione / demodulazione. A causa della modulazione e della demodulazione del segnale di ingresso, devono essere seguite alcune limitazioni del sistema di campionamento dei dati. Il modulatore funziona a una frequenza fondamentale di 500kHz, quindi i segnali di ingresso superiori alla frequenza Ngquist di 250kHz presentano componenti di frequenza inferiore in uscita.

Anche se lo stadio di uscita rimuove la maggior parte della frequenza portante nel segnale di uscita, c'è ancora una certa quantità di segnale portante. La figura 4 mostra un metodo di filtraggio combinato per ridurre l'inquinamento acustico ad alta frequenza nel resto del sistema. Il filtro dell'alimentazione elettrica può ridurre significativamente il rumore che entra dal perno dell'alimentazione elettrica. Il filtro di uscita è uno stadio Sallen a due poli con una Q di I e una frequenza 3dB di 50kHz. Questo riduce l'ondulazione dell'uscita di 5 volte.

Un altro problema con la tensione di isolamento è la potenza richiesta dalla fase di ingresso. Lo stadio di uscita di solito si basa sul telaio o sul terreno, e l'input di solito galleggia su un altro potenziale. Pertanto, anche l'alimentazione dello stadio di ingresso deve essere isolata. Solitamente viene utilizzato un singolo alimentatore al posto degli alimentatori ideali +15V e -15V.

La figura 5 mostra che un alimentatore a tensione singola nello stadio di ingresso ISO124 combinato con un amplificatore differenziale duale 1NA2132 può aumentare l'oscillazione fino all'intera gamma del livello del segnale in ingresso. L'unico requisito è che la tensione di alimentazione in ingresso rimanga superiore a 9V, richiesta per la tensione di ingresso ISO124.

La metà inferiore dell'INA2132 produce metà della tensione di uscita di un'alimentazione VS+. Questa tensione viene utilizzata come pseudo terra per il pin REF dell'altra metà di INA2132 e l'ingresso GND di ISO124. L'oscillazione del segnale di ingresso differenziale dell'INA2132 può essere superiore o inferiore al nuovo livello di riferimento. L'uscita di ISO124, come l'ingresso, sarà completamente bipolare.

3. Sistema di bus dati parallelo isolato

L'isolamento dei bus dati digitali paralleli aumenterà altri tre parametri di progettazione importanti:

• La larghezza del bit del bus

• Deviazione ammissibile

• Requisiti di velocità dell'orologio

Questo compito può essere svolto con una fila di optocoppiatori, ma i circuiti di supporto possono essere molto complessi. La mancata corrispondenza del tempo di propagazione tra gli optocoppiatori causerà l'offset dei dati, che causerà errori di dati all'estremità ricevente. Per ridurre al minimo questo problema, l'accoppiatore digitale isolato ISO508 (Figura 3) supporta il buffering dei dati a doppio buffer all'ingresso e all'uscita. Questa configurazione trasmetterà i dati ad una velocità di 2MBps.

ISO508 ha due modalità di funzionamento. Quando il pin CONT è impostato su uno stato basso, sotto il controllo del segnale LE1, i dati vengono trasmessi attraverso la barriera in modalità sincrona. Quando LE1 è nello stato elevato, i dati vengono trasferiti dal pin di ingresso al blocco di ingresso. Quando LE1 scende basso, i byte di dati iniziano a viaggiare attraverso la barriera. Al momento, il pin di ingresso può essere utilizzato per byte di dati di nuova generazione. In questa modalità, la velocità di dati trasferibili può raggiungere 2MBps.

Quando il pin CONT è impostato su uno stato alto, i dati vengono inviati attraverso la barriera sotto il controllo dell'orologio interno a 20MHz del dispositivo. La trasmissione dei dati è asincrona al segnale di abilitazione del blocco esterno. I dati vengono strisciati dal blocco di ingresso al blocco di uscita in forma seriale. Dopo il trasferimento di un byte, l'intero byte viene spostato nel blocco di uscita e il blocco di uscita compenserà il byte di dati trasferito. Per un byte completo a 8 bit, il ritardo di propagazione sarà inferiore a 1ms.

4. IC multifunzionale per l'isolamento

Il nuovo IC multifunzionale di acquisizione dei dati offre ai progettisti la possibilità di completare più compiti attraversando lo schermo di isolamento. Un dispositivo di acquisizione dati completo può includere più interruttori analogici, amplificatori di strumentazione di guadagno programmabili, convertitori A/D e uno o più canali I/O digitali. Tutte queste funzioni sono controllate tramite una porta dati seriale. L'ADS7870 di Burr-Brown è un dispositivo di questo tipo. ADS7870 funziona molto bene con ISO150 e è mostrato nella Figura 6.

In questa applicazione, ogni funzione programmabile di ADS7870 è posta sotto il controllo del microprocessore principale, e il controllo del microprocessore stesso è realizzato scrivendo comandi al registro attraverso la porta di comunicazione seriale.

• Scelta del multiplexer

• 4 canali differenziali o 8 canali a singola estremità

• Impostazione di guadagno programmabile dell'amplificatore di strumentazione, 1ï½ Ž20

• Inizializzazione della conversione A/D a 12 bit

Le 4 linee I/O digitali di questo dispositivo sono utili e possono essere specificate individualmente per segnalare lo stato dei segnali digitali o di uscita dei segnali digitali. Ciò consente l'isolamento di alcune funzioni di supporto, come la lettura del flag di livello o errore tramite lo stesso multiplexer del segnale di estensione ISO150.

Osservazioni conclusive

Ci sono molti dispositivi disponibili per i progettisti da scegliere e utilizzare nella progettazione di PCB dove il potenziale di terra del sistema è molto diverso. Ogni dispositivo è progettato per requisiti di sistema unici. L'elevato livello di integrazione delle prestazioni dei nuovi dispositivi consente operazioni più complesse che in precedenza erano impossibili da realizzare attraverso la barriera di isolamento.