Teknik PCB - Panduan reka PCB kelajuan tinggi tiga: teknologi pengisaran 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 pertama peranti pengasingan bergantung pada tiada pemancar dan penerima untuk menyeberangi halangan pengasingan. Jenis peranti ini digunakan untuk isyarat digital, tetapi masalah linearisasi memaksa penggunaan pengubah untuk isolasi isyarat analog, dan pembawa modulasi digunakan untuk membuat isyarat analog menyeberangi halangan ini. Penukar selalu sukar untuk dikatakan, dan biasanya mustahil untuk membuat IC, jadi say a datang dengan sirkuit kondensator untuk pasang isyarat modulasi untuk menyeberangi halangan. Tengah sementara kadar konversi tinggi bertindak pada penghalang izolasi boleh digunakan sebagai isyarat untuk peranti penghalang kondensator tunggal, jadi sirkuit perbezaan kondensator dua telah dikembangkan untuk minimumkan ralat. Teknologi penghalang kapasitatif telah dilaksanakan dalam peranti isolasi 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 penghujung sistem terpisah

Sama ada saluran data mesti bidireksi

Optokupler berasaskan LED adalah teknologi pertama yang digunakan untuk mengisolasi isu desain. Beberapa IC berasaskan LED kini tersedia dengan kadar data 10 Mbps dan lebih. Pertimbangan rancangan penting ialah output cahaya LED menurun dengan masa. Oleh itu, arus berlebihan mesti disediakan kepada LED pada tahap awal sehingga intensiti cahaya output yang cukup masih boleh disediakan pada masa. Kerana mungkin terdapat kuasa terbatas yang tersedia di sisi terpisah, keperluan untuk menyediakan arus berlebihan adalah masalah serius. Kerana semasa pemacu yang diperlukan oleh LED boleh lebih besar daripada semasa yang tersedia dari tahap output logik sederhana, sirkuit pemacu istimewa sering diperlukan.

Untuk aplikasi kelajuan tinggi dan pemindahan balik aliran data di bawah kawalan isyarat logik, boleh digunakan sambungan digital ISO 150 Burr-Brown. Figure 1 menunjukkan sirkuit aplikasi bidireksi ISO150. Saluran 1 mengawal arah penghantaran Saluran 2 dan dikonfigur untuk penghantaran dari hujung A ke hujung B. Isyarat yang dilaksanakan pada pin DIA menentukan arah aliran isyarat. Aras tinggi yang dihantar ke akhir B meletakkan akhir saluran 2 ke dalam mod menerima. Aras rendah yang dilaksanakan pada pin Mod pada hujung 2A saluran meletakkan saluran ke dalam mod penghantaran. Keadaan isyarat arah berada di kedua-dua sisi penghalang izolasi. Sirkuit 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. Burr-Brown ISO 422 dirancang 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), jadi setiap nod boleh melakukan fungsi ujian-sendiri. Semasa mod ini, data pada bas diabaikan.

2. Isolasi isyarat analog

Dalam banyak sistem, isyarat analog mesti terpisah. Parameter sirkuit yang dianggap oleh isyarat analog sangat berbeza dari isyarat digital. Isyarat analog biasanya perlu dianggap dahulu:

Ketepatan atau linearitas

Respon frekuensi

Pertimbangan bunyi

Keperluan kuasa, terutama untuk tahap input, juga perlu memberi perhatian kepada ketepatan asas atau lineariti penyampai izolasi tidak boleh diperbaiki oleh sirkuit aplikasi yang sepadan, tetapi sirkuit ini boleh mengurangi bunyi dan mengurangi keperluan kuasa tahap input.

Burr-Brown ISO124 mempermudahkan pengasingan analog. Isyarat input diubahsuai dan dihantar secara digital melalui halangan. Bahagian output menerima isyarat modulasi, menukarnya semula ke tensi analog dan membuang komponen ripple yang ada dalam proses modulasi/demodulasi. Kerana modulasi dan demodulasi isyarat input, beberapa keterangan sistem data pengumpulan patut diikuti. Modulator berfungsi pada frekuensi dasar 500kHz, jadi isyarat input lebih tinggi daripada frekuensi Ngquist 250kHz mengandungi komponen frekuensi lebih rendah dalam output.

Walaupun tahap output membuang kebanyakan frekuensi pembawa dalam isyarat output, masih ada sejumlah isyarat pembawa tertentu. Figur 4 menunjukkan kaedah penapisan bergabung untuk mengurangi pencemaran bunyi frekuensi tinggi di seluruh sistem. Penapis bekalan kuasa boleh mengurangi bunyi yang masuk dari pin bekalan kuasa secara signifikan. Penapis output adalah tahap kekunci Sallen dua poli dengan Q dari I dan frekuensi 3dB 50kHz. Ini mengurangkan garisan output dengan 5 kali.

Masalah lain dengan tekanan izolasi adalah kuasa yang diperlukan oleh tahap input. Tahap output biasanya berdasarkan chassis atau tanah, dan input biasanya mengapung pada potensi lain. Oleh itu, bekalan kuasa tahap input juga mesti diizoli. Biasanya bekalan kuasa tunggal digunakan selain daripada bekalan kuasa ideal +15V dan -15V.

Figure 5 menunjukkan bahawa bekalan tenaga tunggal dalam tahap input ISO124 bergabung dengan amplifier berbeza dua 1NA2132 boleh meningkatkan ayunan ke julat penuh aras isyarat input. Satu-satunya keperluan ialah tenaga bekalan kuasa input tetap lebih besar dari 9V, yang diperlukan untuk tenaga input ISO124.

Setengah bawah dari INA2132 menghasilkan setengah tekanan output bagi bekalan kuasa VS+. Tekanan ini digunakan sebagai tanah pseudo untuk pin REF separuh lain dari INA2132 dan input GND ISO124. Pemindahan isyarat input berbeza bagi INA2132 boleh lebih tinggi atau lebih rendah daripada aras rujukan baru. Output ISO124, seperti input, akan sepenuhnya bipolar.

3. Sistem bas data paralel terpisah

Isolasi bas data digital selari akan meningkatkan tiga parameter reka 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 minimumkan masalah ini, pasang digital ISO508 yang terisolasi (Figur 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 ke keadaan rendah, di bawah kawalan isyarat LE1, data dihantar melalui halangan dalam mod sinkronik. Apabila LE1 dalam keadaan tinggi, data dipindahkan dari pin input ke kunci input. Apabila LE1 rendah, bait data mula mengembara melalui halangan. Pada masa ini, pin input boleh digunakan untuk bait data generasi berikutnya. Dalam mod ini, kadar data 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 berbilang fungsi untuk pengasingan

IC pembelian data berbilang-fungsi baru memberikan peluang kepada desainer untuk menyelesaikan tugas berbilang semasa menyeberangi skrin izolasi. Peranti pencapaian data lengkap boleh termasuk penyuntik analog berbilang, penyembah instrumentasi peningkatan boleh diprogram, penyukar A/D, dan satu atau lebih saluran I/O digital. Semua fungsi ini dikawal melalui port data berantai. ADS7870 Burr-Brown adalah peranti seperti itu. ADS7870 bekerja dengan baik dengan ISO150 dan dipaparkan dalam Figur 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:

Pemilihan multiplexer

⢢ 4 saluran berbeza atau 8 saluran satu-akhir

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

Pemulaan penukaran A/D 12-bit

4 garis I/O digital peranti ini juga berguna dan boleh dinyatakan secara individu untuk melaporkan status isyarat digital atau isyarat digital output. Ini membenarkan pengizolan fungsi sokongan tertentu, seperti pembacaan bendera aras atau ralat melalui multiplekser isyarat sambungan ISO150 yang sama.

Perhatian akhir

Terdapat banyak peranti yang tersedia untuk desainer untuk memilih dan menggunakan dalam desain dimana potensi tanah sistem sangat berbeza. Setiap peranti direka untuk keperluan sistem unik. Aras tinggi integrasi prestasi peranti baru membolehkan operasi yang lebih kompleks yang dahulu tidak mungkin untuk mencapai melalui halangan izolasi.