Teknik PCB - Panduan reka bentuk PCB berkelajuan tinggi tiga: teknologi pengasingan isyarat

Isolasi isyarat menghalang isyarat digital atau analog melewati halangan antara penghantaran dan menerima terminal apabila ia dihantar melalui sambungan galvanik. Ini membenarkan perbezaan antara aras tanah atau rujukan diluar terminal penghantaran dan menerima menjadi setinggi beberapa ribu volt, dan mencegah aliran loop antara potensi tanah yang berbeza yang boleh merusak isyarat. Bunyi di tanah isyarat boleh merusak isyarat. Pengerian boleh memisahkan isyarat ke tanah subsistem isyarat bersih. Dalam aplikasi lain, sambungan elektrik antara aras rujukan boleh mencipta laluan semasa yang tidak selamat bagi operator atau pesakit. Sifat isyarat boleh menunjukkan kepada perancang litar ICs yang betul yang sistem boleh pertimbangkan.

Jenis peranti pengasingan pertama bergantung kepada tiada pemancar dan penerima untuk menyeberangi halangan pengasingan. Jenis peranti ini digunakan untuk isyarat digital, tetapi masalah linearisasi memaksa penggunaan pengubah untuk pengasingan isyarat analog, dan pembawa yang dimodulasikan digunakan untuk membuat isyarat analog melintasi halangan ini. Transformer sentiasa sukar untuk dikatakan, dan biasanya mustahil untuk membuat IC, jadi saya datang dengan litar kapasitor untuk menggabungkan isyarat yang dimodulasikan untuk menyeberangi halangan. Voltan sementara kadar penukaran tinggi yang bertindak pada halangan pengasingan boleh digunakan sebagai isyarat untuk peranti halangan kondensator tunggal, jadi litar perbezaan kondensator ganda telah dibangunkan untuk meminimumkan kesilapan. Sekarang teknologi halangan kapasitif telah digunakan dalam peranti pengasingan digital dan analog.

1.Isolate the serial data stream

Terdapat julat luas pilihan untuk mengisolasi isyarat digital. Jika strim data berantai-bit, pilihan julat dari optokoupler sederhana ke ICs penerima terisolasi. Pertimbangan rancangan utama termasuk:

• Kadar data yang diperlukan

• Keperluan kuasa untuk hujung sistem yang terisolasi

Sama ada saluran data mesti bidireksi

Optocoupler berasaskan LED adalah teknologi pertama yang digunakan untuk mengasingkan masalah reka bentuk. Beberapa IC berasaskan LED kini tersedia dengan kadar data 10Mbps dan di atas. Pertimbangan reka bentuk penting adalah bahawa output cahaya LED berkurang dari masa ke masa. Oleh itu, arus yang berlebihan mesti disediakan kepada LED pada peringkat awal supaya intensiti cahaya output yang mencukupi masih boleh disediakan dari masa ke masa. Oleh kerana mungkin terdapat kuasa terhad yang tersedia di sisi yang terisolasi, keperluan untuk menyediakan arus yang berlebihan adalah masalah yang serius. Kerana arus pemacu yang diperlukan oleh LED boleh lebih besar daripada arus yang tersedia dari peringkat output logik mudah, litar pemacu khas sering diperlukan.

Untuk aplikasi berkelajuan tinggi dan pemindahan balik aliran data di bawah kawalan isyarat logik, penyambung digital ISO 150 Burr-Brown boleh digunakan. Rajah 1 menunjukkan litar aplikasi dua arah ISO150. Saluran 1 mengawal arah penghantaran Saluran 2 dan dikonfigurasi untuk menghantar dari hujung A ke hujung B. Isyarat yang digunakan kepada pin DIA menentukan arah aliran isyarat. Tahap tinggi yang dihantar ke hujung B meletakkan hujung saluran 2 ke dalam mod penerimaan. Tahap rendah yang digunakan kepada pin Mod di hujung saluran 2A meletakkan saluran ke dalam mod penghantaran. Keadaan isyarat arah berada di kedua-dua belah halangan pengasingan. Litar ini boleh berfungsi pada kadar data 80MHz.

Variant kedua komunikasi-berantai bit adalah peranti sistem bas berbeza yang sedang dikembangkan. Sistem ini diterangkan oleh standar RS-422, RS-485 dan CANbus. Beberapa sistem bertuah mempunyai tanah yang sama,dan banyak sistem mempunyai nod dengan potensi yang berbeza. Ini terutama benar bila dua nod dipisahkan dengan jarak tertentu. ISO 422 Burr-Brown direka untuk penerima terisolasi penuh-dupleks yang boleh digunakan dalam aplikasi ini. Penerima ini boleh dikonfigur sebagai separuh-dupleks dan separuh-dupleks (lihat Figur 2). Kadar pemindahan boleh mencapai 2.5Mbps. Peranti ini termasuk fungsi ujian loop (Loop-back), sehingga setiap nod boleh melakukan fungsi ujian-sendiri. Semasa mod ini, data pada bas diabaikan.

2.Isolasi isyarat analog

Dalam banyak sistem, isyarat analog mesti diasingkan. Parameter litar yang dipertimbangkan oleh isyarat analog sepenuhnya berbeza daripada isyarat digital. Isyarat analog biasanya perlu dipertimbangkan terlebih dahulu:

• Ketepatan atau lineariti

• Tindakbalas frekuensi

• Pertimbangan bunyi

Keperluan kuasa, terutamanya untuk peringkat input, juga harus memberi perhatian kepada ketepatan asas atau lineariti penguat pengasingan tidak boleh ditingkatkan oleh litar aplikasi yang sepadan, tetapi litar ini boleh mengurangkan bunyi dan mengurangkan keperluan kuasa peringkat input.

ISO124 Burr-Brown memudahkan pengasingan analog. Isyarat input dimodulasikan kitaran tugas dan dihantar secara digital melintasi halangan. Bahagian output menerima isyarat yang dimodulasikan, menukarnya kembali kepada voltan analog dan mengeluarkan komponen gelombang yang wujud dalam proses modulasi / demodulasi. Oleh kerana modulasi dan demodulasi isyarat input, beberapa had sistem data pengambilan sampel harus diikuti. Modulator berfungsi pada frekuensi asas 500kHz, jadi isyarat input yang lebih tinggi daripada frekuensi Ngquist 250kHz membentangkan komponen frekuensi yang lebih rendah dalam output.

Walaupun peringkat output mengeluarkan kebanyakan frekuensi pembawa dalam isyarat output, masih ada sejumlah tertentu isyarat pembawa. Rajah 4 menunjukkan kaedah penapisan gabungan untuk mengurangkan pencemaran bunyi frekuensi tinggi di bahagian lain sistem. Penapis bekalan kuasa boleh mengurangkan bunyi yang masuk dari pin bekalan kuasa. Penapis output adalah peringkat kunci Sallen dua kutub dengan Q I dan frekuensi 3dB 50kHz. Ini mengurangkan gelombang output sebanyak 5 kali.

Satu lagi isu dengan voltan pengasingan adalah kuasa yang diperlukan oleh peringkat input. Peringkat output biasanya berdasarkan chassis atau tanah, dan input biasanya mengapung pada potensi lain. Oleh itu, bekalan kuasa peringkat input juga mesti diasingkan. Biasanya bekalan kuasa tunggal digunakan dan bukannya bekalan kuasa +15V dan -15V yang ideal.

Rajah 5 menunjukkan bahawa bekalan kuasa voltan tunggal dalam peringkat input ISO124 digabungkan dengan penguat perbezaan ganda 1NA2132 boleh meningkatkan ayunan ke julat penuh tahap isyarat input. Satu-satunya keperluan adalah bahawa voltan bekalan kuasa input kekal lebih besar daripada 9V, yang diperlukan untuk voltan input ISO124.

Separuh bawah INA2132 menghasilkan separuh daripada voltan output bekalan kuasa VS +. Voltan ini digunakan sebagai tanah palsu untuk pin REF separuh lain INA2132 dan input GND ISO124. Ayunan isyarat input perbezaan INA2132 boleh lebih tinggi atau lebih rendah daripada tahap rujukan baru. Output ISO124, seperti input, akan sepenuhnya bipolar.

3. Sistem bas data selari yang terisolasi

Pengisolan bas data digital selari akan meningkatkan tiga parameter reka bentuk yang lebih penting:

• Lebar bit bas

Abaikan yang dibenarkan

• Keperluan kelajuan jam

Tugas ini boleh dilakukan dengan baris optokoupler, tetapi sirkuit sokongan mungkin sangat kompleks. Masa penyebaran tidak sepadan antara optokoupler akan menyebabkan ofset data, yang akan menyebabkan ralat data pada akhir penerimaan. Untuk mengurangi masalah ini, pasang digital ISO508 yang terisolasi (Figure 3) menyokong penimbal data yang dipampur ganda pada input dan output. Konfigurasi ini akan menghantar data pada kadar 2MBps.

ISO508 mempunyai dua mod kerja. Apabila pin CONT ditetapkan kepada keadaan rendah, di bawah kawalan isyarat LE1, data dihantar melintasi halangan dalam mod sinkron. Apabila LE1 berada dalam keadaan tinggi, data dipindahkan dari pin input ke kunci input. Apabila LE1 rendah, byte data mula bergerak melintasi halangan. Pada masa ini, pin input boleh digunakan untuk bait data generasi seterusnya. Dalam mod ini, kadar data yang boleh dipindahkan boleh mencapai 2MBps.

Apabila pin CONT ditetapkan ke keadaan tinggi, data dihantar melalui halangan di bawah kawalan jam dalaman 20MHz peranti. Penghantaran data tidak sesuai dengan isyarat benarkan kunci luaran. Data ditarik dari kunci input ke kunci output dalam bentuk siri.Selepas bait dipindahkan, seluruh bait dipindahkan ke kunci output, dan kunci output akan ofset byte data dipindahkan. Untuk bait 8-bit lengkap, lambat pendaraban akan kurang dari 1ms.

4. IC pelbagai fungsi untuk pengasingan

IC pengambilalihan data pelbagai fungsi baru memberi pereka peluang untuk menyelesaikan pelbagai tugas semasa menyeberangi skrin pengasingan. Peranti pengambilalihan data lengkap boleh termasuk beberapa suis analog, penguat instrumen gain yang boleh diprogram, penukar A / D, dan satu atau lebih saluran I / O digital. Semua fungsi ini dikawal melalui port data siri. ADS7870 Burr-Brown adalah peranti sedemikian. ADS7870 berfungsi dengan baik dengan ISO150 dan ditunjukkan dalam Rajah 6.

Dalam aplikasi ini, setiap fungsi boleh diprogramkan ADS7870 ditempatkan di bawah kawalan mikroprosesor utama, dan kawalan mikroprosesor sendiri diselesaikan dengan menulis arahan ke daftar melalui port komunikasi berantai. Ciri kawalan termasuk:

• Pilihan multiplexer

• 4 saluran perbezaan atau 8 saluran tunggal

Tetapan keuntungan yang boleh diprogramkan untuk peningkat instrumentasi, 1ï½™20

• Pemulaan penukaran A / D 12 bit

4 barisan I / O digital peranti ini juga berguna dan boleh ditentukan secara individu untuk melaporkan status isyarat digital atau isyarat digital output. Ini membolehkan pengasingan fungsi sokongan tertentu, seperti pembacaan bendera tahap atau ralat melalui multiplexer isyarat sambungan ISO150 yang sama.

Pernyataan kesimpulan

Terdapat banyak peranti yang tersedia untuk pereka untuk memilih dan menggunakan dalam reka bentuk pcb di mana potensi tanah sistem sangat berbeza. Setiap peranti direka untuk keperluan sistem yang unik. Tahap integrasi prestasi yang tinggi peranti baru membolehkan operasi yang lebih kompleks yang sebelum ini mustahil dicapai di seluruh halangan pengasingan.