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

Khi tín hiệu kỹ thuật số hoặc analog được gửi qua kết nối hiện tại, cách ly tín hiệu ngăn chúng đi qua rào cản giữa các thiết bị đầu cuối gửi và nhận. Điều này cho phép sự khác biệt giữa các mức mặt đất hoặc tham chiếu bên ngoài thiết bị đầu cuối phát và nhận lên đến vài nghìn volt và ngăn chặn dòng điện vòng lặp giữa các tiềm năng mặt đất khác nhau có thể làm hỏng tín hiệu. Tiếng ồn trên mặt đất của tín hiệu có thể làm hỏng tín hiệu. Sự cô lập có thể tách 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 những IC chính xác mà hệ thống có thể xem xét.

Loại thiết bị cách ly đầu tiên không phụ thuộc vào máy phát và máy thu để vượt qua hàng rào cách ly. Thiết bị này được sử dụng cho tín hiệu kỹ thuật số, nhưng các vấn đề tuyến tính hóa buộc phải sử dụng máy biến áp để cô lập tín hiệu tương tự và sử dụng sóng mang điều chế để đưa tín hiệu tương tự qua rào cản này. Máy biến áp luôn khó nói và thường không thể tạo ra IC, vì vậy tôi đã nghĩ ra một mạch tụ để ghép tín hiệu điều chế để vượt qua rào cản. Điện áp thoáng qua có tỷ lệ chuyển đổi cao tác động lên lưới cách ly có thể được sử dụng làm tín hiệu cho các thiết bị lưới tụ điện đơn, do đó, một mạch vi sai của bình chứa điện kép đã được phát triển để giảm thiểu lỗi. Hiện nay, công nghệ rào điện dung đã được áp dụng trong các thiết bị cách ly kỹ thuật số và analog.

1. Cách ly luồng dữ liệu nối tiếp

Có nhiều lựa chọn để cô lập tín hiệu kỹ thuật số. Nếu luồng dữ liệu là bit nối tiếp, các tùy chọn có thể dao động từ bộ ghép quang đơn giản đến IC thu phát bị cô lập. Các cân nhắc thiết kế chính bao gồm:

Tốc độ dữ liệu cần thiết

Yêu cầu năng lượng cho đầu cách ly của hệ thống

Kênh dữ liệu phải là hai chiều

Bộ ghép ánh sáng dựa trên LED là công nghệ đầu tiên được sử dụng để cô lập các vấn đề thiết kế. Hiện nay có một số IC dựa trên LED cung cấp tốc độ dữ liệu từ 10 Mbps 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 đèn LED trong giai đoạn đầu để cường độ ánh sáng đầu ra đủ vẫn có thể được cung cấp theo thời gian. Vì công suất có sẵn ở phía cách ly có thể bị hạn chế, nhu cầu cung cấp dòng điện quá mức là một vấn đề nghiêm trọng. Bởi vì hiện tại ổ đĩa cần thiết cho đèn LED có thể lớn hơn hiện tại có sẵn cho các giai đoạn đầu ra hợp lý đơn giản, các mạch ổ đĩa đặc biệt thường được yêu cầu.

Đối với các ứng dụng tốc độ cao và truyền ngược luồng dữ liệu dưới điều khiển tín hiệu logic, có thể sử dụng bộ ghép kỹ thuật số ISO 150 của Burr Brown. Hình 1 cho thấy mạch ứng dụng hai chiều ISO150. Kênh 1 điều khiển hướng truyền của kênh 2 và được cấu hình để truyền từ đầu A đến đầu B. Tín hiệu được áp dụng cho chân DIA xác định hướng của luồng tín hiệu. Mức cao được gửi đến đầu B đưa đầu của kênh 2 vào chế độ nhận. Mức thấp của chân chế độ được áp dụng cho đầu 2A của kênh đưa kênh vào chế độ gửi. Trạng thái của tín hiệu hướng nằm ở hai bên của hàng rào cách ly. Mạch có thể hoạt động ở tốc độ dữ liệu 80 MHz.

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, trong khi nhiều hệ thống có các nút với các tiềm năng khác nhau. Điều này đặc biệt đúng khi hai nút được đặt cách nhau một khoảng cách nhất định. Burr Brown ISO 422 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 bị bỏ qua.

2. Cách ly tín hiệu analog

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

Độ chính xác hoặc tuyến tính

Đáp ứng tần số

Các biện pháp phòng ngừa tiếng ồn

Yêu cầu năng lượng, đặc biệt là đối với mức đầu vào, cũng cần lưu ý rằng độ chính xác cơ bản hoặc tuyến tính của bộ khuếch đại cách ly không thể được cải thiện bằng mạch ứng dụng tương ứng, nhưng các mạch này có thể làm giảm tiếng ồn và giảm yêu cầu tiêu thụ điện năng của mức đầu vào.

Cách ly mô phỏng được đơn giản hóa bởi Burr Brown ISO124. Tín hiệu đầu vào được điều chế chu kỳ nhiệm vụ và gửi kỹ thuật số qua rào cản. Phần đầu ra nhận tín hiệu điều chế, chuyển đổi nó trở lại điện áp tương tự và loại bỏ các thành phần gợn vốn có trong quá trình điều chế/giải điều chế. Một số hạn chế của hệ thống dữ liệu lấy mẫu nên được tuân theo do điều chế và giải điều chế tín hiệu đầu vào. Bộ điều chế hoạt động ở tần số cơ bản 500kHz, do đó tín hiệu đầu vào trên tần số Ngquist 250kHz thể hiện thành phần tần số thấp hơn trong đầu ra.

Mặc dù giai đoạn đầu ra loại bỏ hầu hết các tần số sóng mang trong tín hiệu đầu ra, nhưng vẫn có một lượng tín hiệu sóng mang nhất định. Hình 4 cho thấy một phương pháp lọc kết hợp để giảm ô nhiễm tiếng ồn tần số cao cho phần còn lại của hệ thống. Bộ lọc nguồn có thể làm giảm đáng kể tiếng ồn đi vào từ chân nguồn. Bộ lọc đầu ra là giai đoạn khóa Sallen lưỡng cực, Q là I và tần số 3dB là 50kHz. Điều này làm giảm Ripple đầu ra 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. Cô lập hệ thống bus dữ liệu song song

Sự cô lập của bus dữ liệu kỹ thuật số song song sẽ bổ sung ba thông số thiết kế quan trọng hơn:

Chiều rộng bit của bus

Độ lệch cho phép

Yêu cầu tốc độ đồng hồ

Nhiệm vụ này có thể được thực hiện với một hàng các bộ ghép ánh sáng, nhưng các mạch hỗ trợ có thể rất phức tạp. Không phù hợp với thời gian truyền giữa các bộ ghép quang sẽ gây ra sự dịch chuyển dữ liệu, điều này sẽ gây ra lỗi dữ liệu ở đầu nhận. Để giảm thiểu vấn đề này, ISO508 Isolated Digital Coupler (Hình 3) hỗ trợ đệm dữ liệu kép ở đầu vào và đầu ra. Cấu hình này sẽ truyền dữ liệu ở tốc độ 2MBps.

ISO 508 có hai chế độ làm việc. Khi chân CONT được đặt ở trạng thái thấp, dữ liệu được truyền qua rào cản trong chế độ đồng bộ dưới sự điều khiển của tín hiệu LE1. Khi LE1 ở trạng thái cao, dữ liệu được truyền từ chân đầu vào đến bộ khóa đầu vào. Khi LE1 giảm xuống, các byte dữ liệu bắt đầu vượt qua rào cản. Tại thời điểm này, chân đầu vào có thể được sử dụng cho byte dữ liệu thế hệ tiếp theo. Trong chế độ này, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 2MBps.

Khi pin CONT được đặt ở trạng thái cao, dữ liệu được gửi qua hàng rào 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 một byte được truyền, toàn bộ byte được chuyển vào chốt đầu ra, sẽ bù đắp byte dữ liệu được truyền. Đối với một byte 8 bit đầy đủ, độ trễ truyền sẽ nhỏ hơn 1 ms.

4. IC đa chức năng để cách ly

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

Trong ứng dụng này, mỗi chức năng lập trình của ADS7870 được đặt dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý chính, được thực hiện bằng cách viết lệnh vào thanh ghi thông qua cổng giao tiếp nối tiếp. Các tính năng điều khiển bao gồm:

Lựa chọn Multiplexer

4 kênh khác biệt hoặc 8 kênh đơn

Cài đặt khuếch đại lập trình cho bộ khuếch đại nhạc cụ, 1½ 20

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 để báo cáo trạng thái của tín hiệu kỹ thuật số hoặc tín hiệu kỹ thuật số đầu ra. Điều này cho phép cô lập một số chức năng hỗ trợ, chẳng hạn như đọc mức hoặc cờ lỗi thông qua cùng một bộ ghép tín hiệu mở rộng ISO150.

Kết thúc

Có rất nhiều thiết bị có sẵn cho các nhà thiết kế để lựa chọn và sử dụng trong các thiết kế rất khác nhau về điện thế địa của hệ thống. Mỗi thiết bị được thiết kế để đáp ứng 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 thông qua các rào cản ngăn cách.