Công nghệ PCB - Hướng dẫn thiết kế PCB tốc độ cao ba: công nghệ cách ly tín hiệu

Cách ly tín hiệu ngăn tín hiệu kỹ thuật số hoặc analog đi qua rào cản giữa các thiết bị đầu cuối gửi và nhận khi được gửi qua kết nối hiện tại. Điều này cho phép sự khác biệt lên đến vài nghìn volt giữa các mức nối đất hoặc tham chiếu bên ngoài thiết bị đầu cuối phát và nhận và ngăn chặn dòng điện vòng lặp giữa các thế nối đất khác nhau làm hỏng tín hiệu. Tiếng ồn trên mặt đất có thể làm hỏng tín hiệu. Sự cô lập có thể cô lập tín hiệu khỏi mặt đất của hệ thống con tín hiệu sạch. Trong một ứng dụng khác, kết nối điện giữa các mức tham chiếu có thể tạo ra một đường dẫn hiện tại không an toàn cho người vận hành hoặc bệnh nhân. Bản chất của tín hiệu có thể chỉ ra cho nhà thiết kế mạch IC chính xác mà hệ thống có thể xem xét.

Loại thiết bị cách ly đầu tiên không dựa vào máy phát và máy thu để vượt qua rào cản cách ly. Loại thiết bị này được sử dụng cho các tín hiệu kỹ thuật số, nhưng vấn đề tuyến tính hóa buộc phải sử dụng biến áp để cô lập tín hiệu tương tự, và người mang được điều chỉnh được sử dụng để làm cho tín hiệu tương tự vượt qua rào cản này. Máy biến áp luôn khó nói, và thường là không thể tạo ra một IC, vì vậy tôi đã đưa ra một mạch tụ điện để kết nối tín hiệu được điều chỉnh để vượt qua rào cản. Điện áp tạm thời tỷ lệ chuyển đổi cao tác động đến rào cản cách lập có thể được sử dụng như một tín hiệu cho một thiết bị rào cản tụ điện đơn, vì vậy một mạch khác biệt tụ điện kép đã được phát triển để giảm thiểu lỗi. Bây giờ công nghệ rào cản điện dung đã được áp dụng trong các thiết bị cách ly kỹ thuật số và tương tự.

1.Isolate dòng dữ liệu nối tiếp

Có một loạt các tùy chọn để cô lập tín hiệu kỹ thuật số. Nếu luồng dữ liệu là bit-serial, các tùy chọn dao động từ các bộ kết nối quang đơn giản đến các IC phát nhận cô lập. Các cân nhắc thiết kế chính bao gồm:

• Tỷ lệ dữ liệu cần thiết

• Yêu cầu năng lượng cho phần cuối cô lập của hệ thống

Các kênh dữ liệu phải là hai chiều

Optocouplers dựa trên LED là công nghệ đầu tiên được sử dụng để cô lập các vấn đề thiết kế. Một số IC dựa trên LED hiện có sẵn với tốc độ dữ liệu 10Mbps trở lên. Một cân nhắc thiết kế quan trọng là sản lượng ánh sáng LED giảm theo thời gian. Do đó, dòng điện quá mức phải được cung cấp cho LED trong giai đoạn đầu để cường độ ánh sáng đầu ra đủ vẫn có thể được cung cấp theo thời gian. Vì có thể có năng lượng hạn chế có sẵn ở phía cô lập, nhu cầu cung cấp dòng điện quá mức là một vấn đề nghiêm trọng. Bởi vì dòng điện ổ đòi hỏi bởi đèn LED có thể lớn hơn dòng điện có sẵn từ giai đoạn đầu ra logic đơn giản, một mạch ổ đặc biệt thường được yêu cầu.

Đối với các ứng dụng tốc độ cao và chuyển ngược các luồng dữ liệu dưới điều khiển tín hiệu logic, bộ nối kỹ thuật số ISO 150 của Burr-Brown có thể được sử dụng. Hình 1 cho thấy mạch ứng dụng hai chiều ISO150. Kênh 1 kiểm soát hướng truyền của Kênh 2 và được cấu hình để truyền từ đầu A đến đầu B. Tín hiệu áp dụng cho pin DIA xác định hướng dòng chảy tín hiệu. Mức cao được gửi đến cuối B đặt cuối kênh 2 vào chế độ nhận. Mức thấp áp dụng cho pin Mode ở cuối 2A của kênh đưa kênh vào chế độ gửi. Trạng thái của tín hiệu hướng là ở cả hai bên của rào cản cách ly. mạch này có thể hoạt động với tốc độ dữ liệu 80MHz.

Biến thể thứ hai của giao tiếp nối tiếp bit là thiết bị hệ thống bus vi sai đang được phát triển. Các hệ thống này được mô tả theo các tiêu chuẩn RS-422, RS-485 và CAN-BUS. Một số hệ thống may mắn có một điểm chung và nhiều hệ thống có các nút với các tiềm năng khác nhau. Điều này đặc biệt đúng khi hai nút cách nhau một khoảng cách nhất định. ISO 422 của Burr-Brown được thiết kế cho các bộ thu phát tách biệt song công tích hợp có thể được sử dụng trong các ứng dụng này. Bộ thu phát này có thể được cấu hình song công bán và song công đầy đủ (xem Hình 2). Tốc độ truyền lên đến 2,5 Mbps. Thiết bị này thậm chí còn bao gồm chức năng kiểm tra vòng lặp (loop-back) để mỗi nút có thể thực hiện chức năng tự kiểm tra. Trong chế độ này, dữ liệu trên xe buýt sẽ bị bỏ qua.

2. cách ly tín hiệu tương tự

Trong nhiều hệ thống, tín hiệu tương tự phải được cô lập. Các thông số mạch được xem xét bởi tín hiệu tương tự hoàn toàn khác với tín hiệu kỹ thuật số. Tín hiệu tương tự thường cần được xem xét trước:

• Độ chính xác hoặc tính tuyến tính

• Phản ứng tần số

Cân nhắc tiếng ồn

Yêu cầu công suất, đặc biệt là cho giai đoạn đầu vào, cũng nên chú ý đến độ chính xác hoặc tính tuyến tính cơ bản của bộ khuếch đại cách ly không thể được cải thiện bởi các mạch ứng dụng tương ứng, nhưng các mạch này có thể giảm tiếng ồn và giảm yêu cầu công suất của giai đoạn đầu vào.

ISO124 của Burr-Brown đơn giản hóa sự cô lập tương tự. Tín hiệu đầu vào được điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ và gửi kỹ thuật số qua rào cản. Phần đầu ra nhận tín hiệu được điều chỉnh, chuyển đổi nó trở lại thành điện áp tương tự và loại bỏ thành phần sóng vốn có trong quá trình điều chỉnh / giải điều chỉnh. Do điều chỉnh và giải điều chỉnh tín hiệu đầu vào, một số hạn chế của hệ thống dữ liệu lấy mẫu nên được tuân thủ. Bộ điều chỉnh hoạt động ở tần số cơ bản 500kHz, vì vậy các tín hiệu đầu vào cao hơn tần số 250kHz Ngquist có các thành phần tần số thấp hơn trong đầu ra.

Mặc dù giai đoạn đầu ra loại bỏ hầu hết tần số mang trong tín hiệu đầu ra, nhưng vẫn có một lượng tín hiệu mang nhất định. Hình 4 cho thấy một phương pháp lọc kết hợp để giảm ô nhiễm tiếng ồn tần số cao trong phần còn lại của hệ thống. Bộ lọc cung cấp điện có thể làm giảm đáng kể tiếng ồn đi vào từ pin cung cấp điện. Bộ lọc đầu ra là một giai đoạn hai cực Sallen-key với Q của I và tần số 3dB của 50kHz. Điều này làm giảm sóng đầu ra gấp 5 lần.

Một vấn đề khác với điện áp cô lập là công suất cần thiết cho giai đoạn đầu vào. Giai đoạn đầu ra thường dựa trên khung gầm hoặc mặt đất và đầu vào thường nổi trên tiềm năng khác. Do đó, nguồn điện cho giai đoạn đầu vào cũng phải được cách ly. Một nguồn điện duy nhất thường được sử dụng thay vì nguồn điện+15V và -15V lý tưởng.

Hình 5 cho thấy rằng một nguồn điện áp đơn trong giai đoạn đầu vào ISO124, kết hợp với bộ khuếch đại vi sai kép 1NA2132, có thể nâng con lắc lên phạm vi đầy đủ của mức tín hiệu đầu vào. Yêu cầu duy nhất là điện áp nguồn đầu vào được giữ lớn hơn 9V, theo yêu cầu của điện áp đầu vào ISO124.

Nửa dưới của INA2132 tạo ra một nửa điện áp đầu ra nguồn VS+. Điện áp này được sử dụng làm mặt đất giả cho chân REF của nửa kia của INA2132 và đầu vào GND của ISO124. Tín hiệu đầu vào khác biệt của INA2132 có thể dao động trên hoặc dưới mức tham chiếu mới. Đầu ra của ISO124, giống như đầu vào, sẽ hoàn toàn lưỡng cực.

3. Hệ thống bus dữ liệu song song cô lập

Việc cô lập các bus dữ liệu kỹ thuật số song song sẽ làm tăng ba thông số thiết kế quan trọng hơn:

• Chiều rộng bit của xe buýt

Độ lệch cho phép

• Yêu cầu tốc độ đồng hồ

Nhiệm vụ này có thể được thực hiện với một hàng optocouplers, nhưng các mạch hỗ trợ có thể rất phức tạp. Sự không phù hợp thời gian truyền giữa các optocoupler sẽ gây ra sự bù đắp dữ liệu, điều này sẽ gây ra lỗi dữ liệu ở đầu nhận. Để giảm thiểu vấn đề này, bộ nối kỹ thuật số cô lập ISO508 (Hình 3) hỗ trợ bộ đệm dữ liệu đệm kép tại đầu vào và đầu ra. Cấu hình này sẽ truyền dữ liệu với tốc độ 2MBps.

ISO508 có hai chế độ làm việc. Khi pin CONT được đặt ở trạng thái thấp, dưới sự kiểm soát của tín hiệu LE1, dữ liệu được truyền qua rào cản trong chế độ đồng bộ. Khi LE1 ở trạng thái cao, dữ liệu được chuyển từ pin đầu vào vào khóa đầu vào. Khi LE1 giảm, các byte dữ liệu bắt đầu di chuyển qua rào cản. Tại thời điểm này, pin đầu vào có thể được sử dụng cho các byte dữ liệu thế hệ tiếp theo. Trong chế độ này, tốc độ dữ liệu có thể chuyển có thể đạt 2MBps.

Khi pin CONT được đặt ở trạng thái cao, dữ liệu được gửi qua rào cản dưới sự điều khiển của đồng hồ 20 MHz bên trong thiết bị. Truyền dữ liệu cho phép tín hiệu không đồng bộ với khóa bên ngoài. Dữ liệu được chọn ở dạng nối tiếp từ bộ khóa đầu vào đến bộ khóa đầu ra. Sau khi truyền một byte, toàn bộ byte được chuyển vào bộ lưu trữ khóa đầu ra, nơi lưu trữ các byte dữ liệu sẽ được truyền đi. Đối với một byte 8 bit đầy đủ, độ trễ truyền sẽ nhỏ hơn 1 ms.

4. IC cách ly đa chức năng

IC thu thập dữ liệu đa chức năng mới cho các nhà thiết kế cơ hội hoàn thành nhiều nhiệm vụ trong khi vượt qua màn hình cô lập. Một thiết bị thu thập dữ liệu hoàn chỉnh có thể bao gồm nhiều công tắc tương tự, bộ khuếch đại dụng cụ tăng có thể lập trình, bộ chuyển đổi A / D và một hoặc nhiều kênh I / O kỹ thuật số. Tất cả các chức năng này được điều khiển thông qua một cổng dữ liệu nối tiếp. ADS7870 của Burr-Brown là một thiết bị như vậy. ADS7870 hoạt động rất tốt với ISO150 và được hiển thị trong Hình 6.

Trong ứng dụng này, mỗi chức năng có thể lập trình của ADS7870 được đặt dưới sự điều khiển của bộ vi xử lý chính, và điều khiển của chính bộ vi xử lý được thực hiện bằng cách viết lệnh vào đăng ký thông qua cổng truyền thông nối tiếp. Các tính năng điều khiển bao gồm:

Lựa chọn Multiplexer

• 4 kênh khác biệt hoặc 8 kênh kết thúc đơn

• Thiết lập lợi nhuận có thể lập trình của bộ khuếch đại dụng cụ, 1ï½ Ž20

• Khởi tạo chuyển đổi A / D 12 bit

4 dòng I / O kỹ thuật số của thiết bị này cũng hữu ích và có thể được chỉ định riêng lẻ để báo cáo tình trạng tín hiệu kỹ thuật số hoặc tín hiệu kỹ thuật số đầu ra. Điều này cho phép cô lập các chức năng hỗ trợ nhất định, chẳng hạn như đọc cờ cấp hoặc lỗi thông qua cùng một bộ multiplexer tín hiệu mở rộng ISO150.

Nhận xét kết thúc

Có rất nhiều thiết bị có sẵn cho các nhà thiết kế để lựa chọn và sử dụng trong thiết kế pcb nơi tiềm năng mặt đất của hệ thống rất khác nhau. Mỗi thiết bị được thiết kế cho các yêu cầu hệ thống độc đáo. Mức độ tích hợp hiệu suất cao của các thiết bị mới cho phép các hoạt động phức tạp hơn mà trước đây không thể đạt được qua rào cản cô lập.