Expansor de E/S para señales analógicas y digitales

A veces, una sola señal no puede manejar todas las E/S requeridas en un diseño. Para este fin suelen utilizarse varios componentes, normalmente con un conjunto de circuitos integrados con funciones lógicas individuales o componentes simples de búfer o redriver. En el caso de las señales analógicas, a menudo se necesita el mismo enfoque con búferes o amplificadores, aunque esto puede resultar difícil cuando las E/S analógicas requieren distintos niveles de señal.

Este es el ámbito en el que pueden utilizarse ASIC programables de señal mixta, ya que permiten instanciar almacenamiento intermedio analógico y digital en un solo componente. Las celdas lógicas programables pueden usarse para gestionar la parte de distribución digital, mientras que un búfer diseñado específicamente puede encargarse de la distribución analógica.

Lógica digital para expansión de E/S

La expansión de E/S digital comienza con el requisito de capacidad de manejo en la salida. Una sola salida lógica puede ser capaz de conectarse a múltiples entradas desde una perspectiva de carga DC, pero eso no garantiza una conmutación fiable cuando se consideran la velocidad de flanco, la capacitancia de entrada, la longitud de las pistas y la conmutación simultánea. Cada entrada adicional incrementa la carga capacitiva, y el controlador debe cargar o descargar esa carga lo bastante rápido como para cumplir los requisitos de VIH, VIL, setup y hold del dispositivo receptor.

La implementación más simple es un búfer digital, una compuerta no inversora o un controlador de línea colocado entre la señal fuente y las entradas lógicas aguas abajo. El búfer aísla el dispositivo fuente de la carga total de entrada y proporciona una fuerza de excitación de salida definida. En casos de distribución mayor, deben usarse múltiples ramas con búfer en lugar de obligar a un pin de salida a manejar una gran red capacitiva. Esto da a cada rama una interconexión más corta, una carga efectiva menor y una transición lógica más limpia.

La lógica programable proporciona una versión más flexible de la misma estructura. Una señal puede entrar en una celda lógica programable, pasar a través de la red de enrutamiento o de lógica basada en LUT, y luego manejar múltiples salidas configuradas. A cada salida se le puede asignar su propio comportamiento eléctrico cuando el dispositivo admite opciones como manejo push-pull, salida de drenador abierto, activación de pull-up o pull-down y control de habilitación de salida.

Las verificaciones de diseño importantes son directas:

• Confirme que la fuga total de entrada y la carga capacitiva estén dentro de la capacidad nominal del controlador.
• Verifique el tiempo de subida y bajada con respecto al margen de temporización requerido.
• Evite ramas largas sin terminación cuando las velocidades de flanco sean altas.
• Utilice salidas con búfer separadas cuando las cargas estén distribuidas por la placa.

Expansión simple de E/S de una interfaz serie

Cómo distribuir una señal analógica

La expansión de E/S analógica comienza con la condición de carga sobre la señal fuente. La salida de un sensor, la salida de un DAC, un nodo de polarización o una línea de monitorización analógica pueden parecer fáciles de replicar, pero cada destino adicional añade capacitancia de entrada, corriente de polarización, fuga y parásitos de enrutamiento. La fuente debe mantener la precisión de voltaje, el ancho de banda, el tiempo de establecimiento y el margen de ruido requeridos después de conectar todas las cargas. Cuando se superan esos límites, la estructura de distribución necesita circuitería activa en lugar de una simple red enrutada.

Un búfer de ganancia unitaria suele ser la primera etapa cuando varios circuitos necesitan el mismo voltaje analógico. El búfer presenta una alta impedancia de entrada a la fuente y una baja impedancia de salida a las cargas aguas abajo. Para cargas distribuidas, normalmente son preferibles salidas de búfer separadas en lugar de un solo amplificador manejando una estructura de pista larga con ramas. Esto evita una carga capacitiva no controlada y hace que cada trayectoria de salida sea más fácil de validar en cuanto a tiempo de establecimiento, ancho de banda y estabilidad.

Cuando la circuitería aguas abajo solo necesita una decisión de umbral, un comparador suele ser la interfaz más limpia. La señal analógica permanece local en la entrada del comparador, y la salida del comparador se convierte en una señal digital que puede expandirse mediante lógica programable. Esto es útil para detección de power-good, indicadores de fallo, eventos de activación, detección de límites y condiciones de alarma analógica.

Las verificaciones importantes para la expansión analógica incluyen:

• Verifique la impedancia de la fuente con respecto a la corriente de polarización de entrada y el error por fuga
• Compruebe la capacidad de manejo de salida del amplificador frente a la carga capacitiva total
• Confirme la estabilidad del amplificador con la carga esperada y la capacitancia de pista
• Añada histéresis al comparador cuando el ruido en el umbral pueda crear múltiples transiciones
• Mantenga el enrutamiento analógico sensible de forma local cuando las salidas expandidas puedan ser digitales

La mejor implementación depende de si el sistema necesita una copia analógica fiel, una versión analógica escalada o un resultado digital calificado por umbral.

Expansión avanzada de E/S de señal mixta en GreenPAK

La ventaja de un procesador de señal mixta va más allá de la simple distribución de señales de entrada. Se puede instanciar lógica personalizada en celdas macro de procesador de señal mixta para que las E/S analógicas y digitales expandidas puedan acondicionarse, calificarse, secuenciarse o enclavarse antes de llegar al resto del sistema. Estas funciones normalmente requerirían lógica discreta, un programa complejo en un microcontrolador y ADCs/DACs.

Con GPIO adicionales, lógica programable y un front-end analógico configurable en un dispositivo GreenPAK, estas funciones de expansión de E/S pueden implementarse directamente sin añadir IC adicionales ni consumir más pines del microcontrolador. Esto incorpora lógica personalizada similar a CPLD y circuitería analógica totalmente personalizable en el mismo componente programable para funciones de distribución de señales.

Para ayudar a los diseñadores a crear sus componentes personalizados, Renesas ofrece el Go Configure Software Hub para configurar celdas lógicas programables, personalizar el pinout del componente y diseñar un front-end analógico totalmente integrado para el procesamiento de señales analógicas.

Diseño de expansor de E/S GreenPAK en el software Go Configure.

Para obtener más información, consulte los componentes GreenPAK y los ejemplos de referencia.

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