Kompaktere Pegelanpassung für Mixed-Signal-Designs

Spannungsanpassung wird normalerweise als rein digitales Problem betrachtet. Zum Beispiel muss ein 1,8-V-Bauteil mit einem 3,3-V-Bauteil kommunizieren, und das 3,3-V-Bauteil wiederum mit einem weiteren Bauteil bei 5 V usw. In diesen Fällen prüfen wir normalerweise, ob ein Eingang den erwarteten Signalpegel verarbeiten kann, und passen den Pegel gegebenenfalls mit Widerständen oder einem dedizierten Pegelwandler-IC an. Bei digitalen Daten wie einer I2C- oder SPI-Schnittstelle ist ein Pegelwandler-IC mit passender Spezifikation am gebräuchlichsten.

Unserer Erfahrung nach findet Pegelanpassung in analogen Systemen deutlich häufiger statt als in digitalen Systemen, und dennoch gibt es keine kompakten Lösungen für die Implementierung analoger Pegelanpassung auf einer PCB. Dennoch ist die analoge Pegelanpassung aus denselben Gründen wie in digitalen Designs wichtig, und sie verlangt von Schaltungsentwicklern mehr Aufwand, um schaltungsbasierte Lösungen für die Pegelanpassung zu entwickeln. Es gibt Möglichkeiten, dies für analoge und Mixed-Signal-Systeme kompakter zu gestalten, die wir in diesem Artikel besprechen werden.

Digitale Pegelwandler

Die Pegelanpassung bei digitalen Signalen kann durch den Aufbau einer Schaltung aus diskreten Komponenten erfolgen, aber aufgrund der Geschwindigkeit und Komplexität solcher Schaltungen ist der Einsatz eines Pegelwandler-ICs sinnvoller. Diese Komponenten bieten eine direkte Pegelanpassung zwischen zwei Spannungen für digitale Signale, wobei die Spannungen von separaten Stromversorgungen bereitgestellt werden. Diese Komponenten sind bei Halbleiterherstellern weit verbreitet, und obwohl sie sich in ihren Spezifikationen unterscheiden, können sie gemeinsame Pinbelegungen und Gehäuseformen haben.

Zu den wichtigen elektrischen Spezifikationen von Pegelwandlern gehören:

• Unterstützte Schnittstellen (I2C, SPI usw.)
• Ausgangs-Slew-Rate und Grenzwert für Taktfrequenz/Datenrate
• Richtungsabhängigkeit (unidirektional vs. bidirektional)
• Widerstand im eingeschalteten Zustand
• Zusätzliche integrierte Funktionen, wie z. B. Schaltungsschutz oder konfigurierbare Slew-Rate

Typischerweise unterstützen diese Single-Ended-Schnittstellen, die standardisiert sein können, oder eine einfache GPIO-Pegelanpassung entweder als Open-Drain oder Push-Pull. Darüber hinaus unterstützen manche Komponenten auf einer Seite des Wandlers sehr große Eingangsspannungsbereiche. Zum Beispiel funktioniert Renesas part number RH4Z2501 auch als Leitungstreiber und unterstützt Eingangsspannungen bis 36 V.

Bei bidirektionalen Pegelwandlern sind die Pad-Anordnungen häufig auf jeder Seite des Bauteilgehäuses platziert. Ein Beispiel hierfür ist Texas Instruments part number TXV0108 (proprietäre Gehäuseoption RGY), wie unten gezeigt. Diese Pin-Anordnung vereinfacht Fan-In und Fan-Out erheblich.

Pad-Anordnungen auf digitalen Pegelwandlern ermöglichen eine direkte Eingangs-/Ausgangsverdrahtung auf jeder Seite des Bauteils im PCB-Layout.

Analoge Pegelanpassungsschaltungen

Bei der analogen Pegelanpassung wird der Pegel eines analogen Signals angepasst, indem ein DC-Offset angelegt, die Spitzenspannung des analogen Signals erhöht/verringert oder beides kombiniert wird. Dies wird normalerweise mit kundenspezifischen Schaltungen erreicht, die typischerweise mit Operationsverstärkern aufgebaut sind, und dabei wird häufig zusätzlich eine Filterung zur Rauschunterdrückung angewendet.

Je nachdem, welchen Ingenieur man fragt, findet man mehrere Wege, dieselbe Art und Größe der Pegelanpassung auf ein analoges Signal anzuwenden, wobei jeder Ansatz einem anderen Signaltyp oder Frequenzbereich (oder beidem) gewidmet ist. Tatsächlich ist dies wahrscheinlich der Grund, warum dedizierte analoge Pegelwandler mit spezifischer Topologie nie als ICs entwickelt wurden. Dennoch haben wir mehrere interessante Methoden zur Implementierung der Pegelanpassung bei analogen Signalen gesehen:

• Lösungen auf Basis von Operationsverstärkern
• ADC-MCU-DAC-Signalkettendesigns
• Operationsverstärker- + ADC/DAC-Lösungen
• Schaltungen auf Basis von Widerstandsteilern (zum Heruntersetzen)
• Bidirektionale Pufferlösungen

Dies ist nur eine kleine Auswahl möglicher Ansätze zur Pegelanpassung bei analogen Signalen. Bei so vielen verfügbaren Optionen wird klar, warum integrierte Lösungen schwer zu finden sind. Genau hier kann ein Mixed-Signal-Prozessor als integrierte Lösung für die analoge Pegelanpassung Mehrwert bieten.

Mixed-Signal-Pegelanpassung in GreenPAK

Es gibt eindeutig zahlreiche Lösungen für digitale Designs, und es ist möglich, Pegelanpassungslösungen für analoge Designs zu entwickeln, aber was ist mit Mixed-Signal-Schnittstellen? Diese Komponenten müssten kundenspezifisch in Silizium entwickelt werden, und genau das ist mit einem programmierbaren Mixed-Signal-Prozessor wie GreenPAK möglich.

In einer GreenPAK-Komponente kann ein Entwickler Mixed-Signal-Makrozellen für die gleichzeitige Pegelanpassung digitaler und analoger Signale konfigurieren, sogar asynchron. GreenPAK-Bausteine ermöglichen die gleichzeitige Pegelanpassung mehrerer Signale, wobei bei Bedarf zusätzliche Logikverarbeitung im Baustein implementiert werden kann. Das bedeutet, dass ein Entwickler standardisierte digitale Schnittstellen, kundenspezifische Logik oder beides zusammen mit der Pegelanpassung für analoge Signale realisieren kann.

Grafische Programmierung einer GreenPAK-Komponente.

Die Entwicklerwerkzeuge in Renesas GreenPAK geben Entwicklern die Möglichkeit, vollständig kundenspezifische digitale, analoge oder Mixed-Signal-ICs zu entwickeln, die eine dedizierte Pegelanpassungsfunktion oder eine Pegelanpassung als integrierte Funktion bereitstellen. Diese programmierbaren Mixed-Signal-Prozessoren ermöglichen die Konsolidierung zusätzlicher Logikfunktionen, die direkt in Silizium instanziiert werden, wodurch kleinere und effizientere Systeme möglich werden.

Wenn Sie mehr erfahren möchten, sehen Sie sich die GreenPAK-Komponenten und Referenzbeispiele an.

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