PCB Teknik - Yüksek hızlı PCB tasarım kılavuzu üç: sinyal yalıtım teknolojisi

Sinyal izolasyonu, galvanik bir bağlantı üzerinden gönderildiğinde dijital veya analog sinyallerin gönderme ve alıcı terminaller arasındaki bariyerin geçmesini engeller. Bu, gönderici ve alıcı terminallerin dışındaki yer veya referans seviyesi arasındaki farkın birkaç bin volt kadar yüksek olmasını sağlar ve sinyale zarar verebilecek farklı yer potansiyelleri arasındaki döngü akımlarını önler. Sinyal zeminindeki gürültü sinyale zarar verebilir. İzolasyon, sinyali temiz bir sinyal alt sistemine ayırabilir. Başka bir uygulamada, referans seviyeleri arasındaki elektrik bağlantısı, operatör veya hasta için güvenli olmayan bir akım yolu oluşturabilir. Sinyalin doğası, devre tasarımcısına sistemin dikkate alabileceği doğru IC'leri gösterebilir.

İlk tip izolasyon cihazı, izolasyon bariyerini geçmek için hiçbir verici ve alıcıya dayanmaz. Bu tür cihaz dijital sinyaller için kullanıldı, ancak doğrusal sorun, analog sinyal izolasyonu için trafo kullanımını zorladı ve modülenmiş taşıyıcı, analog sinyali bu bariyeri geçirmek için kullanıldı. Transformatörleri söylemek her zaman zor ve genellikle bir IC yapmak imkansızdır, bu yüzden modülenmiş sinyali bariyeri geçmek için birleştirmek için bir kondansatör devresi buldum. İzolasyon bariyerine etki veren yüksek dönüşüm oranı geçici voltaj, tek kapasitörlü bir bariyer cihazı için bir sinyal olarak kullanılabilir, bu nedenle hatayı en aza indirmek için çift kapasitörlü bir diferansiyel devre geliştirilmiştir. Şimdi kapasitif bariyer teknolojisi dijital ve analog izolasyon cihazlarında uygulanmıştır.

1.Seri veri akışını ayırın

Dijital sinyalleri ayırmak için geniş bir dizi seçenek var. Eğer veri akışı bitseri olursa, basit optoküplerden ayrılmış gönderici IC'lere kadar seçenekler arasında. Ana tasarım düşünceleri:

• Veri hızı gerekli

• Sistemin izole sonu için güç ihtiyaçları

• Veri kanalı ikidireksiyonel olmalı.

LED tabanlı optoküpler tasarım sorunlarını izole etmek için kullanılan ilk teknolojidir. Birçok LED tabanlı IC şimdi 10 Mb ve yukarıdaki veri oranları ile kullanılır. Önemli tasarım düşünmesi, LED ışık çıkışı zaman boyunca azalır. Bu yüzden, LED'e ilk fazla akışı verilmesi gerekiyor, böylece yeterli çıkış ışık şiddeti hala zamanında verilebilir. Bölünen tarafta sınırlı güç olabileceğinden dolayı, a şırı ağır akışını sağlamak zorunda olduğu için ciddi bir sorun. Çünkü LED tarafından istediği sürücü basit mantıklı çıkış sahnesinden oluşan a ğımdan daha büyük olabilir, özel sürücü devre sık sık sık ihtiyacı var.

Yüksek hızlı uygulamalar için ve lojik sinyal kontrolü altında veri akışlarının geri dönüşü için Burr-Brown'un ISO 150 dijital kopyalarını kullanabilir. 1. görüntü ISO150'in ikidirektif uygulama devresini gösteriyor. Kanal 1 Kanal 2'nin gönderme yöntemini kontrol ediyor ve A sonundan B sonuna göndermek için yapılandırılır. DIA pin'e uygulanan sinyal akışının yöntemini belirliyor. B sonuna gönderilen yüksek seviye 2. kanalın sonunu alış moduna koyar. 2.A. kanalın sonunda düşük seviye uygulandı. Kanal yollama moduna kanalını yerleştirir. Yön sinyalinin durumu izolasyonun iki tarafında. Bu devre 80MHz veri hızında çalışabilir.

Bit seri iletişimin ikinci çeşiti, geliştirilmekte olan diferansiyel otobüs sistemi cihazıdır. Bu sistemler RS-422, RS-485 ve CANbus standartları tarafından tanımlanmıştır. Bazı sistemlerin ortak bir zemine sahip olması şanslıdır ve birçok sistemin farklı potansiyellere sahip düğümleri vardır. Bu özellikle iki düğüm belli bir mesafe ile ayırıldığında geçerlidir. Burr-Brown'un ISO 422, bu uygulamalarda kullanılabilecek entegre tam dupleks izole alıcı-vericiler için tasarlanmıştır. Bu alı-verici yarı dupleks ve tam dupleks olarak yapılandırılabilir (Şekil 2'ye bakın). İletim hızı 2.5Mbps'ye ulaşabilir. Bu cihaz bir döngü (Loop-back) test fonksiyonu bile içerir, böylece her düğüm kendini test etme fonksiyonunu gerçekleştirebilir. Bu modu sırasında otobüste veriler göz ardı edilir.

2. Analog sinyal izolasyonu

Birçok sistemde analog sinyaller izole edilmelidir. Analog sinyaller tarafından göz önüne alınan devre parametreleri dijital sinyallerden tamamen farklıdır. Analog sinyal genellikle önce dikkate alınmalıdır:

• Doğru ya da linearit

• Frekans yanıtı

• Gürültü dikkateleri

Güç gereksinimleri, özellikle giriş aşaması için, ayrıca izolasyon amplifikatörünün temel doğruluğuna veya doğrulukluğuna da dikkat etmelidir. ilgili uygulama devreleri tarafından geliştirilemez, ancak bu devreler gürültü azaltabilir ve giriş aşamasının güç gereksinimlerini azaltabilir.

Burr-Brown'un ISO124, analog izolasyonu basitleştirir. Giriş sinyali iş döngüsü modülendirilir ve bariyer üzerinden dijital olarak gönderilir. Çıkış parçası modülenmiş sinyali alır, onu analog voltaja dönüştürür ve modülasyon / demodulasyon sürecindeki doğal dalga bileşenini çıkarır. Giriş sinyalinin modülasyonu ve demodulasyonu nedeniyle, örnekleme veri sisteminin bazı sınırlamaları takip edilmelidir. Modülatör 500kHz temel frekansında çalışır, bu nedenle 250kHz Ngquist frekansından daha yüksek giriş sinyalleri çıkışta daha düşük frekans bileşenleri sunar.

Çıkış aşaması çıkış sinyalindeki taşıyıcı frekansının çoğunu kaldırsa da, hala belli bir miktarda taşıyıcı sinyali var. Şekil 4, sistemin geri kalanında yüksek frekanslı gürültü kirliliğini azaltmak için birleşik bir filtreleme yöntemini gösterir. Güç kaynağı filtresi, güç kaynağı pininden giren gürültüyü önemli ölçüde azaltabilir. Çıkış filtresi, I'nin Q'su ve 50kHz'lik 3dB frekansı olan iki kutumlu bir Sallen anahtarı sahnesidir. Bu, çıkış dalgalanmasını 5 kat azaltır.

İzolasyon voltajıyla ilgili bir başka sorun, giriş aşamasının gerektirdiği güçtür. Çıkış aşaması genellikle şasi veya zemine dayanır ve giriş genellikle başka bir potansiyelde yüzer. Bu nedenle, giriş aşamasının güç kaynağı da izole edilmelidir. Genellikle ideal +15V ve -15V güç kaynakları yerine tek bir güç kaynağı kullanılır.

Şekil 5, ISO124 girdi sahnesindeki tek voltaj enerjisinin 1NA2132 çift farklı amplifikatörü ile birleştirildiğini gösteriyor ki, girdi sinyal seviyesinin tam menziline dönüşünü arttırabilir. Tek ihtiyacı, girdi güç teslimatı voltajı, ISO124 girdi voltajı için gerekli 9V'den daha büyük kalır.

INA2132'nin alt yarısı, VS + güç kaynağının çıkış voltajının yarısını üretir. Bu gerilim, INA2132'nin diğer yarısının REF pinleri ve ISO124'ün GND girişi için bir sahte zemin olarak kullanılır. INA2132'nin diferansiyel giriş sinyalinin salınması yeni referans seviyesinden daha yüksek veya daha düşük olabilir. ISO124'ün çıkışı, giriş gibi tamamen bipolar olacaktır.

3. İzole paralel veri otobüsü sistemi

Parallel dijital veri otobusların izolasyonu üç daha önemli tasarım parametrolarını arttıracak:

• Otobüsün bit genişliği

• İzin verilen sapma

• Saat hızı gereksinimleri

Bu görev optoküplerle başarılabilir, ama destek devreler çok karmaşık olabilir. Optoküpler arasındaki propagasyon zamanının uyuşması veri değiştirmesini sağlayacak, bu da veri hatalarının sonunda veri hatalarını sağlayacak. Bu problemi küçültmek için ISO508 ayrılmış dijital koplayıcı (3. Şekil) girdi ve çıkışta iki buferli veri buferini destekliyor. Bu yapılandırma verileri 2MB hızla gönderecek.

ISO508'in iki çalışma modu vardır. CONT pin düşük bir duruma ayarlandığında, LE1 sinyalinin kontrolü altında, veri senkron bir modda bariyer üzerinden iletilir. LE1 yüksek durumda olduğunda, veriler giriş pininden giriş kilitine aktarılır. LE1 düştüğünde, veri baytları bariyerin üzerinden geçmeye başlar. Şu anda, giriş pin yeni nesil veri baytları için kullanılabilir. Bu modda, aktarılabilir veri hızı 2MBps'ye ulaşabilir.

CONT pin yüksek bir duruma ayarlandığında, veriler cihazın iç 20MHz saatinin kontrolü altında bariyer üzerinde gönderilir. Veri iletimi dış kilitli etkinleştirme sinyaline asinkrondur. Veriler seri formda giriş kilitinden çıkış kilitine geçirilir. Bir bayt aktarıldıktan sonra, tüm bayt çıkış kilitine taşınır ve çıkış kiliti aktarılan veri baytını dengelemektedir. Tam bir 8 bit bayt için, yayılma gecikmesi 1ms'den az olacaktır.

4. İzolasyon için çok işlevli IC

Yeni çok işlevli veri toplama IC, tasarımcılara izolasyon ekranını geçerken birden fazla görevi tamamlama fırsatı verir. Tam bir veri toplama cihazı birden fazla analog anahtar, programlanabilir kazanç aletleme amplifikatörleri, A / D dönüştürücüleri ve bir veya daha fazla dijital I / O kanalı içerebilir. Tüm bu işlevler seri bir veri bağlantı noktası aracılığıyla kontrol edilir. Burr-Brown'un ADS7870 böyle bir cihazdır. ADS7870 ISO150 ile çok iyi çalışır ve Şekil 6'da gösterilmiştir.

Bu uygulamalarda, ADS7870'in her programlı fonksiyonu ana mikroprocessörün kontrolü altında yerleştirilir ve mikroprocessörün kontrolü kendisi seri iletişim limanı aracılığıyla kayıtlara komutlar yazarak gerçekleştirilir. Kontrol özellikleri de dahil:

• Multiplexer seçimi

• 4 farklı kanallar ya da 8 tek kanallar

• Enstrümantasyon amplifikatörünün programlanabilir kazanç ayarı, 1ï½ Ž20

• 12-bit A/D dönüşünün başlangıç

Bu cihazın 4 dijital I / O hattı da yararlıdır ve dijital sinyallerin durumunu veya çıkış dijital sinyallerini rapor etmek için ayrı ayrı belirtilebilir. Bu, aynı ISO150 uzantı sinyali multiplekseri üzerinden seviye veya hata bayrağı okuması gibi belirli destek fonksiyonlarının izolasyonuna izin verir.

Sonuç yorumlar

Sistemin zemin potansiyelinin çok farklı olduğu pcb tasarımında tasarımcıların seçebileceği ve kullanabileceği birçok cihaz var. Her cihaz benzersiz sistem gereksinimleri için tasarlanmıştır. Yeni cihazların yüksek performans entegrasyonu, daha önce izolasyon bariyeri boyunca elde edilemez olan daha karmaşık operasyonları sağlar.