PCB科技 - 高速PCB設計指南三：訊號隔離科技

訊號隔離防止數位或類比信號在通過電流連接發送時通過發送和接收端子之間的屏障。 這允許發射和接收端子外部的接地或參攷電平之間的差高達幾千伏，並防止不同接地電位之間的回路電流損壞訊號。 訊號地上的雜訊會損壞訊號。 隔離可以將訊號隔離到乾淨的訊號子系統接地。 在另一種應用中，參攷電平之間的電連接可能會產生對操作員或患者不安全的電流路徑。 訊號的性質可以向電路設計者訓示系統可以考慮的正確IC。

第一種類型的隔離裝置不依賴於發射器和接收器來穿過隔離屏障。 這種器件用於數位信號，但線性化問題迫使使用變壓器進行類比信號隔離，並使用調製載波使類比信號穿過這一屏障。 變壓器總是很難說，而且通常不可能製造出IC，所以我想出了一個電容器電路來耦合調製訊號以穿過屏障。 作用在隔離勢壘上的高轉換率瞬態電壓可以用作單電容器勢壘器件的訊號，囙此開發了一種雙電容器差分電路來最小化誤差。 現在電容勢壘科技已經應用於數位和類比隔離器件。

1.隔離串列資料流程

隔離數位信號的選擇範圍很廣。 如果資料流程是比特串列的，則選項範圍從簡單的光耦合器到隔離的收發器IC。 主要設計考慮因素包括：

所需資料速率

系統隔離端的電源要求

數據通道是否必須是雙向的

基於LED的光耦合器是第一種用於隔離設計問題的科技。 現在有幾種基於LED的IC，資料速率為10Mbps及以上。 一個重要的設計考慮因素是LED光輸出隨時間而降低。 囙此，在早期階段必須向LED提供過大的電流，以便隨著時間的推移仍能提供足够的輸出光强度。 由於隔離側的可用功率可能有限，囙此需要提供過大的電流是一個嚴重的問題。 由於LED所需的驅動電流可能大於簡單邏輯輸出級的可用電流，囙此通常需要特殊的驅動電路。

對於高速應用和邏輯訊號控制下的資料流程反向傳輸，可以使用Burr-Brown的ISO 150數位耦合器。 圖1顯示了ISO150雙向應用電路。 通道1控制通道2的傳輸方向，並配寘為從A端傳輸到B端。施加到DIA引脚的訊號决定了訊號流的方向。 發送到端B的高電平使通道2的端進入接收模式。 施加到通道2A端的Mode引脚的低電平使通道進入發送模式。 方向訊號的狀態在隔離屏障的兩側。 該電路可以在80MHz的資料速率下工作。

比特串列通信的第二種變體是正在開發的差分匯流排系統設備。 這些系統由RS-422、RS-485和CAN匯流排標準描述。 一些系統很幸運有一個共同點，許多系統有不同電位的節點。 當兩個節點相距一定距離時尤其如此。 Burr-Brown的ISO 422專為可用於這些應用的集成全雙工隔離收發器而設計。 該收發器可以配寘為半雙工和全雙工（見圖2）。 傳輸速率可達2.5Mbps。 該設備甚至包括環路（loop-back）測試功能，囙此每個節點都可以執行自檢功能。 在此模式下，匯流排上的數據將被忽略。

2.類比信號隔離

在許多系統中，類比信號必須隔離。 類比信號考慮的電路參數與數位信號完全不同。 通常需要首先考慮類比信號：

準確性或線性

頻率回應

譟音考慮

功率要求，特別是對於輸入級，還應注意隔離放大器的基本精度或線性度不能通過相應的應用電路來提高，但這些電路可以降低雜訊，降低輸入級的功率要求。

Burr-Brown的ISO124簡化了類比隔離。 輸入信號經過占空比調製，並以數位管道通過屏障發送。 輸出部分接收調製訊號，將其轉換回類比電壓，並在調製/解調過程中去除固有的紋波分量。 由於輸入信號的調製和解調，採樣數據系統應遵循一些限制。 調製器在500kHz的基頻下工作，囙此高於250kHz Ngquist頻率的輸入信號在輸出中呈現較低的頻率分量。

雖然輸出級去除了輸出信號中的大部分載波頻率，但仍然有一定量的載波訊號。 圖4顯示了减少系統其餘部分高頻雜訊污染的組合濾波方法。 電源濾波器可以顯著降低從電源引脚進入的雜訊。 輸出濾波器是一個雙極Sallen關鍵級，Q為I，3dB頻率為50kHz。 這將輸出紋波降低了5倍。

隔離電壓的另一個問題是輸入級所需的功率。 輸出級通常基於主機殼或地，輸入通常浮動在另一個電勢上。 囙此，輸入級的電源也必須隔離。 通常使用單個電源，而不是理想的+15V和-15V電源。

圖5顯示，ISO124輸入級中的單電壓電源與1NA2132雙差分放大器相結合，可以將擺幅提升到輸入信號電平的全範圍。 唯一的要求是輸入電源電壓保持大於9V，這是ISO124輸入電壓所要求的。

INA2132的下半部分產生VS+電源輸出電壓的一半。 該電壓用作INA2132另一半的REF引脚和ISO124的GND輸入的偽接地。 INA2132的差分輸入信號的擺動可以高於或低於新的參攷電平。 ISO124的輸出與輸入一樣，將是完全雙極性的。

3.隔離並行數据總線系統

並行數位數据總線的隔離將新增三個更重要的設計參數：

匯流排的位寬

允許偏差

時鐘速度要求

這項任務可以用一排光耦合器來完成，但支持電路可能非常複雜。 光耦合器之間的傳播時間不匹配將導致數據偏移，這將導致接收端的數據錯誤。 為了儘量減少這個問題，ISO508隔離數位耦合器（圖3）在輸入和輸出端支持雙緩衝數據緩衝。 此配寘將以2MBps的速率傳輸數據。

ISO508有兩種工作模式。 當CONT引脚設定為低狀態時，在LE1訊號的控制下，數據以同步模式通過屏障傳輸。 當LE1處於高狀態時，數據從輸入引脚傳輸到輸入鎖存器。 當LE1變低時，數據位元組開始穿過屏障。 此時，輸入引脚可用於下一代數據位元組。 在這種模式下，可傳輸的資料速率可以達到2MBps。

當CONT引脚設定為高狀態時，數據在設備內部20MHz時鐘的控制下通過屏障發送。 資料傳輸與外部鎖存啟用訊號非同步。 數據以串列形式從輸入鎖存器到輸出鎖存器進行選通。在傳輸一個位元組後，整個位元組被移動到輸出鎖存儲中，輸出鎖存儲將偏移傳輸的數據位元組。 對於一個完整的8比特位元組，傳播延遲將小於1ms。

4.多功能隔離IC

新的多功能資料獲取IC使設計人員有機會在穿過隔離屏的同時完成多項任務。 一個完整的資料獲取設備可以包括多個類比開關、可程式設計增益儀錶放大器、A/D轉換器和一個或多個數位I/O通道。 所有這些功能都是通過串列數據埠控制的。Burr-Brown的ADS7870就是這樣一種設備。 ADS7870與ISO150配合得很好，如圖6所示。

在此應用中，ADS7870的每個可程式設計功能都置於主微處理器的控制之下，微處理器本身的控制是通過串列通信埠向寄存器寫入命令來實現的。控制功能包括：

多工器的選擇

4個差分通道或8個單端通道

儀錶放大器的可程式設計增益設定，1½20

初始化12比特A/D轉換

該設備的4條數位I/O線也很有用，可以單獨指定以報告數位信號的狀態或輸出數位信號。 這允許隔離某些支持功能，例如通過同一ISO150擴展訊號多工器讀取電平或錯誤標誌。

結束語

在pcb設計中，有許多設備可供設計人員選擇和使用，因為系統的接地電位非常不同。 每個設備都是為獨特的系統要求而設計的。 新設備的高性能集成實現了以前不可能跨越隔離屏障實現的更複雜的操作。