Espansore I/O per segnali analogici e digitali

A volte un singolo segnale non è in grado di pilotare tutti gli I/O richiesti in un progetto. A questo scopo si usano spesso vari componenti, normalmente con un insieme di circuiti integrati con funzioni logiche dedicate oppure semplici buffer o redriver. Per i segnali analogici è spesso necessario lo stesso approccio, con buffer o amplificatori, anche se questo può risultare difficile quando gli I/O analogici richiedono livelli di segnale differenti.

È proprio in questo ambito che si possono utilizzare gli ASIC programmabili mixed-signal, poiché consentono di implementare buffering analogico e digitale in un unico componente. Le celle logiche programmabili possono essere usate per gestire la parte di fanout digitale, mentre un buffer realizzato appositamente può essere impiegato per il fanout analogico.

Logica digitale per l’espansione degli I/O

L’espansione degli I/O digitali parte dal requisito di pilotaggio in uscita. Una singola uscita logica può anche collegarsi a più ingressi dal punto di vista del carico DC, ma questo non garantisce una commutazione affidabile quando si considerano velocità di fronte, capacità d’ingresso, lunghezza delle tracce e commutazione simultanea. Ogni ingresso aggiunto aumenta il carico capacitivo e il driver deve caricare o scaricare tale carico abbastanza rapidamente da soddisfare i requisiti di VIH, VIL, setup e hold del dispositivo ricevente.

L’implementazione più semplice è un buffer digitale, una porta non invertente o un line driver posto tra il segnale sorgente e gli ingressi logici a valle. Il buffer isola il dispositivo sorgente dal carico totale in ingresso e fornisce una capacità di pilotaggio in uscita definita. Nei casi di fanout più elevato, è preferibile usare più rami bufferizzati invece di costringere un singolo pin di uscita a pilotare una grande rete capacitiva. In questo modo ogni ramo ha un’interconnessione più corta, un carico effettivo inferiore e una transizione logica più pulita.

La logica programmabile fornisce una versione più flessibile della stessa struttura. Un segnale può entrare in una cella logica programmabile, attraversare la rete di instradamento o la logica basata su LUT e poi pilotare più uscite configurate. A ogni uscita può essere assegnato un proprio comportamento elettrico quando il dispositivo supporta opzioni come pilotaggio push-pull, uscita open-drain, attivazione di pull-up o pull-down e controllo dell’abilitazione dell’uscita.

Le verifiche progettuali importanti sono semplici:

• Confermare che la perdita totale in ingresso e il carico capacitivo rientrino nelle specifiche del driver.
• Verificare i tempi di salita e discesa rispetto al margine temporale richiesto.
• Evitare rami lunghi non terminati quando le velocità di fronte sono elevate.
• Usare uscite bufferizzate separate quando i carichi sono distribuiti sulla scheda.

Semplice espansione I/O di un’interfaccia seriale

Come realizzare il fanout di un segnale analogico

L’espansione degli I/O analogici parte dalla condizione di carico sul segnale sorgente. L’uscita di un sensore, l’uscita di un DAC, un nodo di bias o una linea di monitoraggio analogica possono sembrare facili da replicare, ma ogni destinazione aggiuntiva introduce capacità d’ingresso, corrente di bias, perdite e parassiti di instradamento. La sorgente deve mantenere l’accuratezza di tensione, la larghezza di banda, il tempo di assestamento e il margine di rumore richiesti dopo che tutti i carichi sono stati collegati. Quando questi limiti vengono superati, la struttura di fanout richiede circuiteria attiva anziché una semplice rete instradata.

Un buffer a guadagno unitario è normalmente il primo stadio quando più circuiti richiedono la stessa tensione analogica. Il buffer presenta un’elevata impedenza d’ingresso verso la sorgente e una bassa impedenza d’uscita verso i carichi a valle. Per carichi distribuiti, uscite buffer separate sono di solito migliori di un singolo amplificatore che pilota una lunga struttura di tracce ramificate. Questo evita un carico capacitivo non controllato e rende ogni percorso di uscita più facile da validare in termini di tempo di assestamento, larghezza di banda e stabilità.

Quando la circuiteria a valle richiede solo una decisione di soglia, un comparatore è in genere l’interfaccia più pulita. Il segnale analogico resta locale all’ingresso del comparatore e l’uscita del comparatore diventa un segnale digitale che può essere espanso tramite logica programmabile. Questo è utile per il rilevamento power-good, i flag di guasto, gli eventi di wake, il rilevamento dei limiti e le condizioni di allarme analogiche.

Le verifiche importanti per l’espansione analogica includono:

• Verificare l’impedenza della sorgente rispetto alla corrente di bias in ingresso e all’errore dovuto alle perdite
• Controllare la capacità di pilotaggio dell’uscita dell’amplificatore rispetto al carico capacitivo totale
• Confermare la stabilità dell’amplificatore con il carico previsto e la capacità della traccia
• Aggiungere isteresi al comparatore quando il rumore sulla soglia può creare transizioni multiple
• Mantenere locale l’instradamento analogico sensibile quando le uscite espanse possono essere digitali

L’implementazione migliore dipende dal fatto che il sistema richieda una copia analogica fedele, una versione analogica scalata oppure un risultato digitale qualificato da soglia.

Espansione I/O mixed-signal avanzata in GreenPAK

Il vantaggio di un processore mixed-signal va oltre il semplice fanout dei segnali di ingresso. Nelle macro celle del processore mixed-signal è possibile implementare logica personalizzata, in modo che gli I/O analogici e digitali espansi possano essere condizionati, qualificati, sequenziati o latched prima di raggiungere il resto del sistema. Queste funzioni richiederebbero normalmente logica discreta, un programma complesso in un microcontrollore e ADC/DAC.

Con GPIO aggiuntivi, logica programmabile e un front-end analogico configurabile in un dispositivo GreenPAK, queste funzioni di espansione I/O possono essere implementate direttamente senza aggiungere altri IC né consumare più pin del microcontrollore. Questo porta logica personalizzata di tipo CPLD e circuiteria analogica completamente personalizzabile nello stesso componente programmabile per le funzioni di fanout del segnale.

Per aiutare i progettisti a realizzare i propri componenti personalizzati, Renesas fornisce il Go Configure Software Hub per configurare le celle logiche programmabili, personalizzare il pinout del componente e progettare un front-end analogico completamente integrato per l’elaborazione dei segnali analogici.

Progetto di expander I/O GreenPAK nel software Go Configure.

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