I/O-Expander für analoge und digitale Signale

Manchmal kann ein einzelnes Signal nicht alle in einem Design erforderlichen I/Os treiben. Für diesen Zweck werden häufig verschiedene Komponenten verwendet, normalerweise eine Gruppe integrierter Schaltungen mit individuellen Logikfunktionen oder einfache Buffer- bzw. Redriver-Komponenten. Bei analogen Signalen ist derselbe Ansatz mit Buffern oder Verstärkern oft ebenfalls erforderlich, was jedoch schwierig sein kann, wenn analoge I/Os unterschiedliche Signalpegel benötigen.

Hier kommen programmierbare Mixed-Signal-ASICs ins Spiel, da sie die Implementierung von analoger und digitaler Pufferung in einer einzigen Komponente ermöglichen. Programmierbare Logikzellen können zur Handhabung des digitalen Fanouts verwendet werden, während ein speziell entwickelter Buffer den analogen Fanout übernimmt.

Digitale Logik für I/O-Erweiterung

Die Erweiterung digitaler I/Os beginnt mit der erforderlichen Ausgangstreiberleistung. Ein einzelner Logikausgang kann aus Sicht der DC-Last möglicherweise mit mehreren Eingängen verbunden werden, doch das garantiert noch kein zuverlässiges Schalten, wenn Flankensteilheit, Eingangskapazität, Leiterbahnlänge und gleichzeitiges Schalten berücksichtigt werden. Jeder zusätzliche Eingang erhöht die kapazitive Last, und der Treiber muss diese Last schnell genug laden oder entladen, um die Anforderungen des empfangenden Geräts an VIH, VIL, Setup- und Hold-Zeiten zu erfüllen.

Die einfachste Implementierung ist ein digitaler Buffer, ein nichtinvertierendes Gatter oder ein Leitungstreiber zwischen dem Quellsignal und den nachgeschalteten Logikeingängen. Der Buffer entkoppelt das Quellgerät von der gesamten Eingangsbelastung und stellt eine definierte Ausgangstreiberstärke bereit. Bei größeren Fanout-Anwendungen sollten mehrere gepufferte Zweige verwendet werden, anstatt einen einzelnen Ausgangspin ein großes kapazitives Netzwerk treiben zu lassen. Dadurch erhält jeder Zweig eine kürzere Verbindung, eine geringere effektive Last und einen saubereren Logikübergang.

Programmierbare Logik bietet eine flexiblere Version derselben Struktur. Ein Signal kann in eine programmierbare Logikzelle eingehen, durch Routing-Ressourcen oder LUT-basierte Logik geführt werden und anschließend mehrere konfigurierte Ausgänge treiben. Jedem Ausgang kann sein eigenes elektrisches Verhalten zugewiesen werden, wenn das Bauteil Optionen wie Push-Pull-Treiber, Open-Drain-Ausgang, aktivierbare Pull-up- oder Pull-down-Widerstände und eine Ausgangsfreigabesteuerung unterstützt.

Die wichtigen Designprüfungen sind unkompliziert:

• Bestätigen Sie, dass die gesamte Eingangsleckage und die kapazitive Last innerhalb der Treiberspezifikation liegen.
• Prüfen Sie Anstiegs- und Abfallzeit im Verhältnis zur erforderlichen Timing-Marge.
• Vermeiden Sie lange, nicht terminierte Zweige bei hohen Flankengeschwindigkeiten.
• Verwenden Sie separate gepufferte Ausgänge, wenn die Lasten über die Leiterplatte verteilt sind.

Einfache I/O-Erweiterung einer seriellen Schnittstelle

So wird ein analoges Signal aufgefächert

Die Erweiterung analoger I/Os beginnt mit der Lastbedingung am Quellsignal. Ein Sensorausgang, DAC-Ausgang, Bias-Knoten oder eine analoge Überwachungsleitung mag leicht zu vervielfältigen erscheinen, doch jedes zusätzliche Ziel erhöht die Eingangskapazität, den Bias-Strom, die Leckage und die parasitären Effekte des Routings. Die Quelle muss die erforderliche Spannungsgenauigkeit, Bandbreite, Einschwingzeit und Störabstand auch nach Anschluss aller Lasten aufrechterhalten. Werden diese Grenzen überschritten, benötigt die Fanout-Struktur aktive Schaltungen statt eines einfach gerouteten Netzes.

Ein Buffer mit Verstärkung 1 ist üblicherweise die erste Stufe, wenn mehrere Schaltungen dieselbe analoge Spannung benötigen. Der Buffer bietet der Quelle eine hohe Eingangsimpedanz und den nachgeschalteten Lasten eine niedrige Ausgangsimpedanz. Bei verteilten Lasten sind separate Buffer-Ausgänge in der Regel besser als ein einzelner Verstärker, der eine lange verzweigte Leiterbahnstruktur treiben muss. Dadurch werden unkontrollierte kapazitive Lasten vermieden und jeder Ausgangspfad lässt sich hinsichtlich Einschwingzeit, Bandbreite und Stabilität leichter validieren.

Wenn die nachgeschaltete Schaltung lediglich eine Schwellwertentscheidung benötigt, ist ein Komparator meist die sauberere Schnittstelle. Das analoge Signal bleibt lokal am Komparatoreingang, und der Komparatorausgang wird zu einem digitalen Signal, das über programmierbare Logik erweitert werden kann. Das ist nützlich für Power-Good-Erkennung, Fehlersignale, Wake-Ereignisse, Grenzwerterkennung und analoge Alarmbedingungen.

Wichtige Prüfungen bei der analogen Erweiterung sind unter anderem:

• Prüfen Sie die Quellimpedanz in Bezug auf Eingangsbiasstrom und Leckagefehler
• Prüfen Sie die Ausgangstreiberfähigkeit des Verstärkers gegenüber der gesamten kapazitiven Last
• Bestätigen Sie die Stabilität des Verstärkers bei der erwarteten Last- und Leiterbahnkapazität
• Fügen Sie eine Komparator-Hysterese hinzu, wenn Schwellwertrauschen mehrere Übergänge verursachen kann
• Halten Sie empfindliches Analog-Routing lokal, wenn die erweiterten Ausgänge digital sein können

Die beste Implementierung hängt davon ab, ob das System eine originalgetreue analoge Kopie, eine skalierte analoge Version oder ein schwellwertqualifiziertes digitales Ergebnis benötigt.

Erweiterte Mixed-Signal-I/O-Erweiterung in GreenPAK

Der Vorteil eines Mixed-Signal-Prozessors geht über das einfache Auffächern von Eingangssignalen hinaus. Benutzerdefinierte Logik kann in Makrozellen des Mixed-Signal-Prozessors implementiert werden, sodass erweiterte analoge und digitale I/Os vor dem Erreichen des restlichen Systems aufbereitet, qualifiziert, sequenziert oder verriegelt werden können. Diese Funktionen würden typischerweise diskrete Logik, ein komplexes Programm in einem Mikrocontroller und ADCs/DACs erfordern.

Mit zusätzlichen GPIOs, programmierbarer Logik und einem konfigurierbaren analogen Frontend in einem GreenPAK-Bauteil können diese I/O-Erweiterungsfunktionen direkt umgesetzt werden, ohne zusätzliche ICs hinzuzufügen oder mehr Mikrocontroller-Pins zu verbrauchen. Dadurch werden CPLD-ähnliche benutzerdefinierte Logik und vollständig anpassbare analoge Schaltungen für Signal-Fanout-Funktionen in derselben programmierbaren Komponente vereint.

Um Designer beim Aufbau ihrer benutzerdefinierten Komponenten zu unterstützen, stellt Renesas den Go Configure Software Hub zur Verfügung, mit dem sich programmierbare Logikzellen konfigurieren, das Pinout der Komponente anpassen und ein vollständig integriertes analoges Frontend für die analoge Signalverarbeitung entwerfen lassen.

GreenPAK-I/O-Expander-Design in der Go Configure-Software.

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