Expanseur d’E/S pour signaux analogiques et numériques

Il arrive parfois qu’un seul signal ne puisse pas piloter toutes les E/S requises dans une conception. Divers composants sont souvent utilisés à cette fin, généralement sous la forme d’un ensemble de circuits intégrés avec des fonctions logiques individuelles, ou de simples composants tampon ou redriver. Pour les signaux analogiques, la même approche est souvent nécessaire avec des tampons ou des amplificateurs, bien que cela puisse être difficile lorsque les E/S analogiques exigent différents niveaux de signal.

C’est précisément dans ce domaine que les ASIC programmables mixtes analogique/numérique peuvent être utilisés, car ils permettent d’instancier un tamponnement analogique et numérique dans un seul composant. Des cellules logiques programmables peuvent être utilisées pour gérer la partie fanout numérique, tandis qu’un tampon spécialement conçu peut être utilisé pour gérer le fanout analogique.

Logique numérique pour l’extension des E/S

L’extension des E/S numériques commence par l’exigence de pilotage de sortie. Une seule sortie logique peut être capable de se connecter à plusieurs entrées d’un point de vue de charge en courant continu, mais cela ne garantit pas une commutation fiable lorsque l’on prend en compte la vitesse des fronts, la capacité d’entrée, la longueur des pistes et les commutations simultanées. Chaque entrée ajoutée augmente la charge capacitive, et le pilote doit charger ou décharger cette charge assez rapidement pour respecter les exigences de VIH, VIL, de setup et de hold du dispositif récepteur.

L’implémentation la plus simple consiste en un tampon numérique, une porte non-inverseuse ou un line driver placé entre le signal source et les entrées logiques en aval. Le tampon isole le dispositif source de la charge totale des entrées et fournit une force de pilotage de sortie définie. Dans les cas de fanout plus important, plusieurs branches tamponnées doivent être utilisées au lieu de forcer une broche de sortie à piloter un grand réseau capacitif. Cela donne à chaque branche une interconnexion plus courte, une charge effective plus faible et une transition logique plus propre.

La logique programmable fournit une version plus flexible de cette même structure. Un signal peut entrer dans une cellule logique programmable, traverser le réseau de routage ou une logique basée sur LUT, puis piloter plusieurs sorties configurées. Chaque sortie peut se voir attribuer son propre comportement électrique lorsque le dispositif prend en charge des options telles que le pilotage push-pull, la sortie open-drain, l’activation d’une résistance de pull-up ou de pull-down, ainsi que le contrôle d’activation de sortie.

Les vérifications de conception importantes sont simples :

• Confirmer que le courant de fuite total des entrées et la charge capacitive restent dans les limites nominales du pilote.
• Vérifier les temps de montée et de descente par rapport à la marge temporelle requise.
• Éviter les longues branches non terminées lorsque les vitesses de front sont élevées.
• Utiliser des sorties tamponnées séparées lorsque les charges sont réparties sur la carte.

Extension simple des E/S d’une interface série

Comment distribuer un signal analogique

L’extension des E/S analogiques commence par la condition de charge sur le signal source. La sortie d’un capteur, la sortie d’un DAC, un nœud de polarisation ou une ligne de surveillance analogique peuvent sembler faciles à répliquer, mais chaque destination supplémentaire ajoute de la capacité d’entrée, du courant de polarisation, des fuites et des parasites de routage. La source doit maintenir la précision de tension, la bande passante, le temps d’établissement et la marge de bruit requis une fois toutes les charges connectées. Lorsque ces limites sont dépassées, la structure de fanout nécessite des circuits actifs plutôt qu’un simple réseau routé.

Un tampon à gain unitaire constitue généralement le premier étage lorsque plusieurs circuits ont besoin de la même tension analogique. Le tampon présente une impédance d’entrée élevée à la source et une faible impédance de sortie pour les charges en aval. Pour des charges réparties, des sorties tampon séparées sont généralement préférables à un seul amplificateur pilotant une longue structure de pistes ramifiées. Cela évite une charge capacitive non maîtrisée et rend chaque chemin de sortie plus facile à valider en termes de temps d’établissement, de bande passante et de stabilité.

Lorsque les circuits en aval n’ont besoin que d’une décision de seuil, un comparateur constitue généralement une interface plus propre. Le signal analogique reste local à l’entrée du comparateur, et la sortie du comparateur devient un signal numérique qui peut être étendu via une logique programmable. Cela est utile pour la détection power-good, les indicateurs de défaut, les événements de réveil, la détection de limites et les conditions d’alarme analogiques.

Les vérifications importantes pour l’extension analogique incluent :

• Vérifier l’impédance de la source par rapport au courant de polarisation d’entrée et à l’erreur de fuite
• Vérifier la capacité de pilotage en sortie de l’amplificateur par rapport à la charge capacitive totale
• Confirmer la stabilité de l’amplificateur avec la charge attendue et la capacité des pistes
• Ajouter de l’hystérésis au comparateur lorsque le bruit autour du seuil peut créer des transitions multiples
• Conserver un routage analogique sensible local lorsque les sorties étendues peuvent être numériques

La meilleure implémentation dépend du fait que le système ait besoin d’une copie analogique fidèle, d’une version analogique mise à l’échelle ou d’un résultat numérique validé par seuil.

Extension avancée des E/S mixtes analogique/numérique dans GreenPAK

L’avantage d’un processeur mixte analogique/numérique va au-delà du simple fanout des signaux d’entrée. Une logique personnalisée peut être instanciée dans les macrocellules d’un processeur mixte analogique/numérique afin que les E/S analogiques et numériques étendues puissent être conditionnées, qualifiées, séquencées ou verrouillées avant d’atteindre le reste du système. Ces fonctions nécessiteraient généralement une logique discrète, un programme complexe dans un microcontrôleur et des ADCs/DACs.

Grâce à des GPIO supplémentaires, à de la logique programmable et à une interface analogique configurable dans un dispositif GreenPAK, ces fonctions d’extension d’E/S peuvent être mises en œuvre directement sans ajouter d’IC supplémentaires ni consommer davantage de broches de microcontrôleur. Cela apporte une logique personnalisée de type CPLD et des circuits analogiques entièrement personnalisables dans un même composant programmable pour les fonctions de fanout de signaux.

Pour aider les concepteurs à créer leurs composants personnalisés, Renesas propose le Go Configure Software Hub pour configurer les cellules logiques programmables, personnaliser le brochage du composant et concevoir une interface analogique entièrement intégrée pour le traitement des signaux analogiques.

Conception d’un expander d’E/S GreenPAK dans le logiciel Go Configure.

Pour en savoir plus, consultez les composants GreenPAK et les exemples de référence.

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