Expansor de E/S para sinais analógicos e digitais

Às vezes, um único sinal não consegue acionar todas as E/S exigidas em um projeto. Vários componentes são frequentemente usados para esse fim, normalmente envolvendo um conjunto de circuitos integrados com funções lógicas individuais ou componentes simples de buffer ou redriver. Para sinais analógicos, a mesma abordagem costuma ser necessária com buffers ou amplificadores, embora isso possa ser difícil quando as E/S analógicas exigem diferentes níveis de sinal.

Essa é a área em que ASICs programáveis de sinal misto podem ser usados, pois permitem a implementação de buffering analógico e digital em um único componente. Células lógicas programáveis podem ser usadas para lidar com a parte de fanout digital, enquanto um buffer desenvolvido especificamente pode ser usado para lidar com o fanout analógico.

Lógica Digital para Expansão de E/S

A expansão de E/S digital começa com o requisito de capacidade de acionamento da saída. Uma única saída lógica pode ser capaz de se conectar a várias entradas do ponto de vista da carga em CC, mas isso não garante comutação confiável quando são considerados taxa de borda, capacitância de entrada, comprimento da trilha e comutação simultânea. Cada entrada adicional aumenta a carga capacitiva, e o driver precisa carregar ou descarregar essa carga com rapidez suficiente para atender aos requisitos de VIH, VIL, setup e hold do dispositivo receptor.

A implementação mais simples é um buffer digital, porta não inversora ou line driver colocado entre o sinal de origem e as entradas lógicas a jusante. O buffer isola o dispositivo de origem da carga total de entrada e fornece uma força de acionamento de saída definida. Em casos de fanout maior, devem ser usados vários ramos com buffer em vez de forçar um único pino de saída a acionar uma grande rede capacitiva. Isso dá a cada ramo uma interconexão mais curta, menor carga efetiva e uma transição lógica mais limpa.

A lógica programável oferece uma versão mais flexível da mesma estrutura. Um sinal pode entrar em uma célula lógica programável, passar pela malha de roteamento ou por lógica baseada em LUT e então acionar várias saídas configuradas. Cada saída pode receber seu próprio comportamento elétrico quando o dispositivo oferece suporte a opções como acionamento push-pull, saída open-drain, habilitação de pull-up ou pull-down e controle de habilitação de saída.

As verificações de projeto importantes são diretas:

• Confirme se a corrente total de fuga de entrada e a carga capacitiva estão dentro da especificação do driver.
• Verifique os tempos de subida e descida em relação à margem de temporização exigida.
• Evite ramos longos sem terminação quando as taxas de borda forem altas.
• Use saídas com buffer separadas quando as cargas estiverem distribuídas pela placa.

Expansão simples de E/S de uma interface serial

Como Fazer o Fanout de um Sinal Analógico

A expansão de E/S analógica começa com a condição de carga sobre o sinal de origem. A saída de um sensor, a saída de um DAC, um nó de polarização ou uma linha de monitoramento analógico podem parecer fáceis de replicar, mas cada destino adicional acrescenta capacitância de entrada, corrente de polarização, fuga e parasitas de roteamento. A fonte deve manter a precisão de tensão, largura de banda, tempo de acomodação e margem de ruído exigidos depois que todas as cargas forem conectadas. Quando esses limites são excedidos, a estrutura de fanout precisa de circuitos ativos em vez de uma simples rede roteada.

Um buffer de ganho unitário é normalmente o primeiro estágio quando vários circuitos precisam da mesma tensão analógica. O buffer apresenta alta impedância de entrada para a fonte e baixa impedância de saída para as cargas a jusante. Para cargas distribuídas, saídas de buffer separadas geralmente são melhores do que um único amplificador acionando uma estrutura de trilha longa com derivações. Isso evita carga capacitiva descontrolada e torna cada caminho de saída mais fácil de validar quanto a tempo de acomodação, largura de banda e estabilidade.

Quando o circuito a jusante precisa apenas de uma decisão de limiar, um comparador costuma ser a interface mais limpa. O sinal analógico permanece local à entrada do comparador, e a saída do comparador se torna um sinal digital que pode ser expandido por meio de lógica programável. Isso é útil para detecção de power-good, sinalização de falhas, eventos de wake, detecção de limites e condições de alarme analógico.

As verificações importantes para expansão analógica incluem:

• Verifique a impedância da fonte em relação à corrente de polarização de entrada e ao erro por fuga
• Verifique a capacidade de acionamento da saída do amplificador em relação à carga capacitiva total
• Confirme a estabilidade do amplificador com a carga esperada e a capacitância da trilha
• Adicione histerese ao comparador quando o ruído no limiar puder criar múltiplas transições
• Mantenha o roteamento analógico sensível local quando as saídas expandidas puderem ser digitais

A melhor implementação depende de o sistema precisar de uma cópia analógica fiel, de uma versão analógica escalada ou de um resultado digital qualificado por limiar.

Expansão Avançada de E/S de Sinal Misto no GreenPAK

A vantagem de um processador de sinal misto vai além do simples fanout de sinais de entrada. Lógica personalizada pode ser implementada em macrocélulas de processador de sinal misto para que as E/S analógicas e digitais expandidas possam ser condicionadas, qualificadas, sequenciadas ou travadas antes de alcançar o restante do sistema. Essas funções normalmente exigiriam lógica discreta, um programa complexo em um microcontrolador e ADCs/DACs.

Com GPIOs adicionais, lógica programável e uma front-end analógica configurável em um dispositivo GreenPAK, essas funções de expansão de E/S podem ser implementadas diretamente sem adicionar CIs extras nem consumir mais pinos do microcontrolador. Isso traz lógica personalizada semelhante à de um CPLD e circuitos analógicos totalmente personalizáveis para o mesmo componente programável em funções de fanout de sinal.

Para ajudar os projetistas a criar seus componentes personalizados, a Renesas fornece o Go Configure Software Hub para configurar células lógicas programáveis, personalizar o pinout do componente e projetar uma front-end analógica totalmente integrada para processamento de sinais analógicos.

Projeto de expansor de E/S GreenPAK no software Go Configure.

Para saber mais, dê uma olhada nos componentes GreenPAK e nos exemplos de referência.

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