아날로그 및 디지털 신호용 I/O 익스팬더

때로는 하나의 신호만으로는 설계에 필요한 모든 I/O를 구동할 수 없습니다. 이를 위해 다양한 부품이 사용되며, 일반적으로 개별 논리 기능을 가진 집적회로 세트나 단순한 버퍼 또는 리드라이버 부품이 포함됩니다. 아날로그 신호의 경우에도 버퍼나 증폭기를 사용하는 동일한 접근 방식이 자주 필요하지만, 아날로그 I/O마다 서로 다른 신호 레벨이 요구될 때는 구현이 어려울 수 있습니다.

이러한 영역에서 프로그래머블 혼합 신호 ASIC가 활용될 수 있는데, 하나의 부품 안에서 아날로그 및 디지털 버퍼링을 모두 구현할 수 있기 때문입니다. 프로그래머블 로직 셀은 디지털 팬아웃 부분을 처리하는 데 사용할 수 있고, 전용 버퍼는 아날로그 팬아웃을 처리하는 데 사용할 수 있습니다.

I/O 확장을 위한 디지털 로직

디지털 I/O 확장은 출력 구동 요구 사항에서 시작됩니다. 하나의 로직 출력은 DC 부하 관점에서는 여러 입력에 연결될 수 있지만, 에지 속도, 입력 커패시턴스, 트레이스 길이, 동시 스위칭까지 고려했을 때 신뢰성 있는 스위칭이 보장되는 것은 아닙니다. 입력이 하나씩 추가될 때마다 커패시티브 부하가 증가하며, 드라이버는 수신 장치의 VIH, VIL, 셋업 및 홀드 요구 사항을 만족할 만큼 충분히 빠르게 그 부하를 충전하거나 방전해야 합니다.

가장 간단한 구현은 소스 신호와 하위 로직 입력 사이에 디지털 버퍼, 비반전 게이트 또는 라인 드라이버를 배치하는 것입니다. 버퍼는 소스 장치를 전체 입력 부하로부터 분리하고, 정의된 출력 구동 능력을 제공합니다. 팬아웃이 큰 경우에는 하나의 출력 핀으로 큰 커패시티브 네트워크를 구동하도록 강제하기보다 여러 개의 버퍼링된 분기를 사용하는 것이 바람직합니다. 이렇게 하면 각 분기가 더 짧은 인터커넥트를 갖게 되고, 유효 부하가 낮아지며, 로직 전이가 더 깨끗해집니다.

프로그래머블 로직은 동일한 구조를 더 유연하게 구현할 수 있게 해줍니다. 신호는 프로그래머블 로직 셀에 입력되어 라우팅 패브릭 또는 LUT 기반 로직을 통과한 뒤, 여러 개의 구성된 출력으로 구동될 수 있습니다. 디바이스가 푸시풀 구동, 오픈드레인 출력, 풀업 또는 풀다운 활성화, 출력 활성화 제어와 같은 옵션을 지원하는 경우, 각 출력에 고유한 전기적 동작을 할당할 수 있습니다.

중요한 설계 점검 항목은 다음과 같이 간단합니다.

• 전체 입력 누설과 커패시티브 부하가 드라이버 정격 내에 있는지 확인합니다.
• 상승 시간과 하강 시간을 요구되는 타이밍 마진과 비교해 점검합니다.
• 에지 속도가 빠를 경우 종단되지 않은 긴 분기를 피합니다.
• 부하가 보드 전체에 분산되어 있는 경우 별도의 버퍼 출력들을 사용합니다.

직렬 인터페이스의 단순한 I/O 확장

아날로그 신호를 팬아웃하는 방법

아날로그 I/O 확장은 소스 신호의 부하 조건에서 시작됩니다. 센서 출력, DAC 출력, 바이어스 노드 또는 아날로그 모니터 라인은 쉽게 복제할 수 있어 보일 수 있지만, 추가되는 각 목적지는 입력 커패시턴스, 바이어스 전류, 누설, 라우팅 기생 성분을 더하게 됩니다. 소스는 모든 부하가 연결된 후에도 요구되는 전압 정확도, 대역폭, 정착 시간, 그리고 노이즈 마진을 유지해야 합니다. 이러한 한계를 초과하면 팬아웃 구조에는 단순한 라우팅 네트가 아니라 능동 회로가 필요합니다.

여러 회로에 동일한 아날로그 전압이 필요할 때는 일반적으로 유니티 게인 버퍼가 첫 단계로 사용됩니다. 버퍼는 소스에 대해 높은 입력 임피던스를 제공하고, 하위 부하에 대해서는 낮은 출력 임피던스를 제공합니다. 분산된 부하의 경우에는 긴 분기형 트레이스 구조를 하나의 증폭기로 구동하는 것보다 별도의 버퍼 출력을 사용하는 편이 대체로 더 낫습니다. 이렇게 하면 제어되지 않은 커패시티브 부하를 피할 수 있고, 각 출력 경로의 정착 시간, 대역폭, 안정성을 더 쉽게 검증할 수 있습니다.

하위 회로가 임계값 판정만 필요로 한다면 일반적으로 비교기가 더 깔끔한 인터페이스입니다. 아날로그 신호는 비교기 입력 근처에만 머물고, 비교기 출력은 프로그래머블 로직을 통해 확장할 수 있는 디지털 신호가 됩니다. 이는 전원 정상 감지, 고장 플래그, 웨이크 이벤트, 한계값 감지, 아날로그 알람 조건에 유용합니다.

중요한 아날로그 확장 점검 항목은 다음과 같습니다.

• 소스 임피던스가 입력 바이어스 전류 및 누설 오차에 비해 적절한지 검증합니다
• 증폭기 출력 구동 능력이 전체 커패시티브 부하
• 에 대해 충분한지 확인합니다
• 예상 부하 및 트레이스 커패시턴스 조건에서 증폭기의 안정성을 확인합니다
• 임계값 노이즈로 인해 여러 번 전이가 발생할 수 있다면 비교기 히스테리시스를 추가합니다확장된 출력이 디지털일 수 있다면 민감한 아날로그 라우팅은 로컬에 유지합니다

가장 적합한 구현 방식은 시스템에 충실한 아날로그 복사본이 필요한지, 스케일된 아날로그 버전이 필요한지, 또는 임계값으로 판정된 디지털 결과가 필요한지에 따라 달라집니다.

GreenPAK의 고급 혼합 신호 I/O 확장

혼합 신호 프로세서의 장점은 입력 신호의 단순한 팬아웃을 넘어섭니다. 혼합 신호 프로세서 매크로 셀 안에 사용자 정의 로직을 구현하면, 확장된 아날로그 및 디지털 I/O가 시스템의 나머지 부분에 도달하기 전에 컨디셔닝, 판정, 시퀀싱 또는 래치될 수 있습니다. 이러한 기능을 구현하려면 일반적으로 개별 로직, 마이크로컨트롤러의 복잡한 프로그램, 그리고 ADCs/DACs가 필요합니다.

GreenPAK 디바이스의 추가 GPIO, 프로그래머블 로직, 구성 가능한 아날로그 프런트엔드를 활용하면, 이러한 I/O 확장 기능을 추가 IC를 넣거나 더 많은 마이크로컨트롤러 핀을 소모하지 않고 직접 구현할 수 있습니다. 이를 통해 CPLD와 유사한 사용자 정의 로직과 완전히 사용자 정의 가능한 아날로그 회로를 동일한 프로그래머블 부품 안에서 신호 팬아웃 기능에 활용할 수 있습니다.

설계자가 자신만의 맞춤형 부품을 만들 수 있도록 Renesas는 프로그래머블 로직 셀 구성, 부품 핀아웃 사용자 정의, 아날로그 신호 처리를 위한 완전 통합형 아날로그 프런트엔드 설계를 지원하는 Go Configure Software Hub를 제공합니다.

Go Configure 소프트웨어에서의 GreenPAK I/O 익스팬더 설계.

자세히 알아보려면 GreenPAK 부품과 참조 예제를 살펴보십시오.

• GreenPAK 부품에 대해 더 알아보기
• GreenPAK I/O 익스팬더 솔루션 보기

신뢰성 높은 전력 전자 장치든 고급 디지털 시스템이든, GreenPAK 솔루션을 구현할 때는 Altium이 제공하는 완전한 PCB 설계 기능과 세계적 수준의 CAD 도구를 활용해 보십시오. Altium은 업계 최고의 PCB 설계 도구와 고급 설계 팀을 위한 학제 간 협업 기능을 모두 갖춘 세계 최고 수준의 전자 제품 개발 플랫폼을 제공합니다. 지금 바로 Altium 전문가에게 문의하세요!