Технология PCB - Руководство по проектированию высокоскоростных PCB 3: технология изоляции сигналов

Когда цифровые или аналоговые сигналы передаются через электрические соединения, изоляция сигнала предотвращает их прохождение через барьер между передающими и принимающими зажимами. Это позволяет излучать и принимать до нескольких тысяч вольт разницы между заземлением или эталонным уровнем снаружи зажима и предотвращает ток контура между различными потенциалами заземления, которые могут повредить сигнал. Шум на заземлении сигнала может повредить сигнал. Изоляция может отделить сигнал от заземления чистой подсистемы сигнала. В другом случае электрическое соединение между эталонными уровнями может создать небезопасный путь тока для оператора или пациента. Характер сигнала может указывать проектировщику схемы на правильные IC, которые система может учитывать.

Первый тип изолирующих устройств не зависит от передатчиков и приемников для пересечения разделительного барьера. Это устройство используется для цифровых сигналов, но проблема линейности заставляет использовать трансформатор для изоляции аналогового сигнала и использовать модулированную несущую для прохождения аналогового сигнала через этот барьер. Трансформаторы всегда трудно сказать, и, как правило, невозможно создать IC, поэтому я придумал конденсаторную схему для связи модулированных сигналов, чтобы преодолеть барьер. Переходное напряжение высокой скорости преобразования, действующее на разделительную решетку, может использоваться в качестве сигнала для устройства с одной конденсаторной решеткой, поэтому для минимизации ошибок была разработана двухконденсаторная дифференциальная схема. В настоящее время технология конденсаторного барьера используется в цифровых и аналоговых изоляционных устройствах.

1. Изоляция последовательного потока данных

Существует несколько вариантов изоляции цифровых сигналов. Если поток данных является последовательным в битах, диапазон параметров варьируется от простой оптической связи до изолированного приемопередатчика IC. К числу основных проектных соображений относятся:

Требуемая скорость передачи данных

Требования к мощности на изолированном конце системы

Должен ли канал данных быть двусторонним?

Световая связь на основе светодиодов является первой технологией, используемой для изоляции проблем проектирования. В настоящее время существует несколько IC на основе светодиодов, которые обеспечивают скорость передачи данных 10 Мбит / с и выше. Важным конструктивным соображением является то, что светодиодные выходы со временем уменьшаются. Поэтому на ранних этапах светодиоды должны быть снабжены слишком большим током, чтобы они все еще могли обеспечить достаточную выходную интенсивность света с течением времени. Поскольку имеющаяся мощность на стороне изоляции может быть ограничена, необходимость обеспечения чрезмерного тока является серьезной проблемой. Поскольку ток привода, необходимый для светодиода, может быть больше, чем доступный ток на простом логическом выходном уровне, обычно требуется специальная схема привода.

Для обратной передачи данных в высокоскоростных приложениях и под управлением логических сигналов можно использовать цифровую связь Burr Brown ISO 150. На рисунке 1 показана схема двухстороннего применения ISO 150. Канал 1 управляет направлением передачи канала 2 и настроен для передачи с конца A на конец B. Сигнал, наложенный на вывод DIA, определяет направление потока сигнала. Высокий уровень, отправленный на конец B, приводит конец канала 2 в режим приема. Низкий уровень вывода Mode, наложенный на конец канала 2A, приводит канал в режим передачи. Состояние сигнала направления находится по обе стороны барьера. Эта схема может работать со скоростью передачи данных 80 МГц.

Второй вариант битовой последовательной связи - это разрабатываемое устройство системы дифференциальных шин. Эти системы описаны стандартами RS - 422, RS - 485 и CAN шины. Некоторым системам повезло, что у них есть одна общая черта, в то время как многие системы имеют узлы с различным потенциалом. Это особенно верно, когда два узла находятся на некотором расстоянии друг от друга. Стандарт Burr Brownâs ISO 422 предназначен для интегрированных полностью дуплексных изолированных приемопередатчиков, которые могут быть использованы в этих приложениях. Этот приемопередатчик может быть сконфигурирован как полудуплексный, так и полностью дуплексный (см. рисунок 2). Скорость передачи может достигать 2,5 Мбит / с. Устройство даже включает в себя функцию тестирования кольца (круговой возврат), поэтому каждый узел может выполнять функцию самоконтроля. В этом режиме данные на шине будут игнорироваться.

2. Изоляция аналоговых сигналов

Во многих системах аналоговые сигналы должны быть изолированы. Параметры схемы, рассматриваемые аналоговым сигналом, полностью отличаются от цифровых сигналов. Обычно сначала нужно рассмотреть аналоговые сигналы:

Точность или линейность

Частотная реакция

Внимание шуму

Требования к мощности, особенно для входной ступени, также должны обратить внимание на то, что базовая точность или линейность изолирующего усилителя не может быть улучшена с помощью соответствующих прикладных схем, но эти схемы могут уменьшить шум и снизить требования к потреблению энергии на входной ступени.

Стандарт Burr Brownâs ISO 124 упрощает аналоговую изоляцию. Входные сигналы модулируются коэффициентом заполнения и передаются в цифровом виде через барьер. Выходная часть принимает модулированный сигнал, преобразует его обратно в аналоговое напряжение и удаляет неотъемлемый компонент текстуры во время модуляции / демодуляции. В связи с модуляцией и демодуляцией входных сигналов следует соблюдать некоторые ограничения, установленные в системе выборочных данных. Модулятор работает на базовой частоте 500 кГц, поэтому входной сигнал с частотой выше 250 кГц Ngquist показывает более низкую частотную составляющую на выходе.

Хотя выходная ступень удаляет большую часть несущей частоты выходного сигнала, все еще существует определенное количество несущих сигналов. На рисунке 4 показан комбинированный метод фильтрации для уменьшения высокочастотного шумового загрязнения остальной части системы. Фильтр питания может значительно уменьшить шум, поступающий от штуцера питания. Выходной фильтр имеет двухполюсный уровень клавиш Sallen, Q - I и частоту 3dB 50 кГц. Это позволяет снизить выходной уровень в 5 раз.

Еще одна проблема с изоляцией напряжения - мощность, необходимая для входной ступени. Выходная ступень обычно основана на шасси или заземлении, а вход обычно плавает на другом потенциале. Поэтому источник питания входного уровня также должен быть изолирован. Обычно используются отдельные источники питания, а не идеальные источники + 15В и - 15В.

На рисунке 5 показано, что одновольтный источник питания на входном уровне ISO 124 в сочетании с двухдифференциальным усилителем 1NA2132 может увеличить амплитуду маятника до полного диапазона входного уровня сигнала. Единственное требование заключается в том, чтобы напряжение входного источника питания оставалось больше 9 В, что требуется для входного напряжения ISO 124.

Нижняя часть INA2132 производит половину выходного напряжения VS +. Это напряжение используется в качестве псевдозаземления для другой половины REF - выводов INA2132 и входного GND ISO 124. Колебания дифференциального входного сигнала INA2132 могут быть выше или ниже нового эталонного уровня. Выход ISO 124, как и вход, будет полностью биполярным.

3. Изоляция параллельных систем шины данных

Изоляция параллельной цифровой шины данных добавит три более важных параметра проектирования:

Ширина шины

Допустимое отклонение

Требования к тактовой скорости

Эта задача может быть выполнена с помощью ряда оптических муфт, но поддерживающие схемы могут быть очень сложными. Несоответствие времени распространения между оптическими связями приведет к смещению данных, что приведет к ошибкам в данных на приемном конце. Чтобы свести к минимуму эту проблему, ISO 508 Digital Steel (рисунок 3) поддерживает двойной буфер данных на входных и выходных концах. Эта конфигурация будет передавать данные со скоростью 2 Мбит / с.

Стандарт ISO 508 имеет два режима работы. Когда вывод CONT установлен в низком состоянии, данные передаются через барьер в синхронном режиме под управлением сигнала LE1. Когда LE1 находится в высоком состоянии, данные передаются от входного штыря к входному замку. Когда LE1 становится ниже, байты данных начинают пересекать барьер. На этом этапе входной вывод может быть использован для байтов данных следующего поколения. В этом режиме скорость передачи данных может достигать 2 Мбит / с.

Когда вывод CONT настроен на высокое состояние, данные передаются через барьер под управлением часов 20 МГц внутри устройства. Передача данных с внешним замком включена асинхронно. Данные последовательно переходят из хранилища входных замков в хранилище выходных замков. После передачи одного байта весь байт перемещается в запор выходного замка, который смещает передаваемые байты данных. Для полных 8 - битных байтов задержка распространения будет меньше 1 мс.

Многофункциональный IC для изоляции

Новый многофункциональный IC сбора данных дает дизайнерам возможность выполнять несколько задач одновременно, пересекая экран изоляции. Полное устройство сбора данных может включать в себя несколько аналоговых переключателей, программируемые усилители приборов усиления, преобразователи A / D и один или несколько цифровых каналов ввода / вывода. Все эти функции управляются через последовательные порты данных. Одним из таких устройств является ADS7870 от Burr Brown. ADS7870 хорошо сочетается с ISO 150, как показано на рисунке 6.

В этом приложении каждая программируемая функция ADS7870 находится под управлением главного микропроцессора, а управление самим микропроцессором осуществляется путем записи команд в регистр через последовательные порты связи.

Выбор мультиплекса

Четыре дифференциальных канала или восемь односторонних каналов

Программируемые параметры усиления приборного усилителя, 1½20

Инициализация 12 - битного преобразования A / D

Четыре цифровые линии ввода / вывода устройства также полезны и могут быть указаны отдельно для сообщения состояния цифрового сигнала или выхода цифрового сигнала. Это позволяет изолировать некоторые функции поддержки, такие как считывание уровня или знака ошибки с помощью одного и того же мультиплексора расширенного сигнала ISO150.

Заключительные замечания

При очень разных конструкциях потенциала заземления системы существует множество устройств, которые дизайнеры могут выбрать и использовать. Каждое оборудование предназначено для удовлетворения уникальных системных требований. Высокий уровень интеграции производительности нового устройства обеспечивает более сложные операции, которые ранее не могли быть реализованы через барьер изоляции.