アナログ信号およびデジタル信号向けI/Oエキスパンダー

設計で必要となるすべてのI/Oを、単一の信号だけで駆動できない場合があります。こうした目的にはさまざまなコンポーネントがよく使われ、通常は個別のロジック機能を持つ集積回路群、あるいはシンプルなバッファやリドライバ部品が用いられます。アナログ信号でも同様に、バッファやアンプを使ったアプローチが必要になることが多くありますが、アナログI/Oごとに必要な信号レベルが異なる場合は難しくなることがあります。

このような場面で活用できるのがプログラマブル・ミックスドシグナルASICです。1つのコンポーネント内でアナログとデジタルのバッファリングを実装できるためです。デジタルのファンアウト部分はプログラマブル・ロジックセルで処理し、アナログのファンアウトは専用設計のバッファで処理できます。

I/O拡張のためのデジタルロジック

デジタルI/O拡張は、まず出力駆動要件の確認から始まります。単一のロジック出力は、DC負荷の観点では複数の入力に接続できる場合がありますが、エッジレート、入力容量、配線長、同時スイッチングまで考慮すると、それだけで確実なスイッチングが保証されるわけではありません。入力が1つ増えるごとに容量性負荷も増加するため、ドライバは受信デバイスのVIH、VIL、セットアップ時間、ホールド時間の要件を満たせる速度で、その負荷を十分に充電または放電する必要があります。

最も単純な実装は、ソース信号と下流のロジック入力の間に、デジタルバッファ、非反転ゲート、またはラインドライバを配置する方法です。バッファは、ソースデバイスを入力負荷全体から分離し、明確に規定された出力駆動能力を提供します。より大きなファンアウトが必要な場合は、1本の出力ピンで大きな容量性ネットワーク全体を駆動するのではなく、複数のバッファ付き分岐を使用すべきです。こうすることで、各分岐の配線は短くなり、実効負荷は小さくなり、ロジック遷移もよりクリーンになります。

プログラマブル・ロジックは、この構成をさらに柔軟にしたものを提供します。信号をプログラマブル・ロジックセルに入力し、ルーティングファブリックまたはLUTベースのロジックを通過させた後、複数の設定済み出力を駆動できます。デバイスがプッシュプル駆動、オープンドレイン出力、プルアップ/プルダウンの有効化、出力イネーブル制御といったオプションに対応していれば、各出力に個別の電気的動作を割り当てることも可能です。

重要な設計チェック項目は次のとおりです。

• 総入力リーク電流と容量性負荷がドライバ定格内に収まっていることを確認する。
• 立ち上がり時間と立ち下がり時間が必要なタイミングマージンを満たしているか確認する。
• エッジレートが速い場合は、終端されていない長い分岐を避ける。
• 負荷が基板全体に分散している場合は、個別のバッファ付き出力を使用する。

シリアルインターフェースのシンプルなI/O拡張

アナログ信号をファンアウトする方法

アナログI/O拡張は、まずソース信号に対する負荷条件の確認から始まります。センサー出力、DAC出力、バイアスノード、またはアナログモニタラインは、一見すると簡単に複製できそうに見えますが、接続先が増えるたびに入力容量、バイアス電流、リーク、および配線寄生が追加されます。すべての負荷を接続した後でも、ソースは必要な電圧精度、帯域幅、整定時間、およびノイズマージンを維持しなければなりません。これらの限界を超える場合、ファンアウト構造には単純な配線ネットではなく、能動回路が必要になります。

複数の回路で同じアナログ電圧が必要な場合、通常の第一段はユニティゲイン・バッファです。バッファはソースに対して高い入力インピーダンスを示し、下流の負荷に対しては低い出力インピーダンスを提供します。負荷が分散している場合は、1つのアンプで長く分岐した配線構造を駆動するよりも、個別のバッファ出力を用いる方が一般に適しています。これにより、制御しにくい容量性負荷を回避でき、各出力経路について整定時間、帯域幅、安定性の検証も容易になります。

下流回路で必要なのがしきい値判定だけであれば、通常はコンパレータの方がより適切なインターフェースになります。アナログ信号はコンパレータ入力の近くに留められ、コンパレータ出力はプログラマブル・ロジックで拡張可能なデジタル信号になります。これは、power-good検出、フォールトフラグ、ウェイクイベント、リミット検出、アナログ警報条件などに有効です。

重要なアナログ拡張のチェック項目には、次のようなものがあります。

• ソースインピーダンスが入力バイアス電流およびリーク誤差に対して適切か検証する
• アンプの出力駆動能力が総容量性負荷
• に対して十分か確認する
• 想定される負荷および配線容量に対するアンプの安定性を確認する
• しきい値ノイズによって複数回遷移が発生する可能性がある場合は、コンパレータにヒステリシスを追加する拡張後の出力をデジタル化できる場合は、敏感なアナログ配線をローカルに保つ

最適な実装は、システムが必要とするものが忠実なアナログコピーなのか、スケーリングされたアナログ版なのか、あるいはしきい値判定済みのデジタル結果なのかによって異なります。

GreenPAKにおける高度なミックスドシグナルI/O拡張

ミックスドシグナル・プロセッサの利点は、単純な入力信号のファンアウトにとどまりません。ミックスドシグナル・プロセッサのマクロセルにはカスタムロジックを実装できるため、拡張されたアナログおよびデジタルI/Oに対して、システムの他の部分へ到達する前に、条件付け、判定、シーケンス制御、またはラッチ処理を行えます。通常、これらの機能を実現するには、ディスクリートロジック、マイクロコントローラ上の複雑なプログラム、さらにADC/DACが必要になります。

GreenPAKデバイスでは、追加のGPIO、プログラマブル・ロジック、設定可能なアナログ・フロントエンドを利用することで、これらのI/O拡張機能を、ICを追加したりマイクロコントローラのピンを余分に消費したりすることなく、直接実装できます。これにより、CPLDのようなカスタムロジックと、完全にカスタマイズ可能なアナログ回路を、信号ファンアウト機能のために同一のプログラマブル・コンポーネント内へ統合できます。

設計者が独自のコンポーネントを構築できるよう、Renesasは、プログラマブル・ロジックセルの設定、コンポーネントのピン配置のカスタマイズ、そしてアナログ信号処理のための完全統合型アナログ・フロントエンド設計を行えるGo Configure Software Hubを提供しています。

Go ConfigureソフトウェアにおけるGreenPAK I/Oエクスパンダ設計。

さらに詳しく知りたい方は、GreenPAKコンポーネントとリファレンス例をご覧ください。

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