Расширитель ввода/вывода для аналоговых и цифровых сигналов

Иногда один сигнал не может обеспечить управление всеми входами/выходами, необходимыми в проекте. Для этой цели часто используют различные компоненты, обычно набор интегральных схем с отдельными логическими функциями либо простые буферы или redriver-компоненты. Для аналоговых сигналов часто требуется тот же подход с буферами или усилителями, хотя это может быть затруднительно, когда аналоговые входы/выходы требуют разных уровней сигнала.

Именно в этой области могут применяться программируемые смешанные сигнальные ASIC, поскольку они позволяют реализовать аналоговую и цифровую буферизацию в одном компоненте. Программируемые логические ячейки можно использовать для обработки цифровой части fanout, а специально разработанный буфер — для аналоговой части fanout.

Цифровая логика для расширения I/O

Расширение цифровых I/O начинается с требования к выходной нагрузочной способности. Один логический выход с точки зрения нагрузки по постоянному току может быть способен подключаться к нескольким входам, но это не гарантирует надежное переключение, если учитывать скорость фронта, входную емкость, длину трассы и одновременное переключение. Каждый дополнительный вход увеличивает емкостную нагрузку, и драйвер должен заряжать или разряжать эту нагрузку достаточно быстро, чтобы удовлетворять требованиям принимающего устройства по VIH, VIL, setup и hold.

Самая простая реализация — это цифровой буфер, неинвертирующий вентиль или line driver, размещенный между источником сигнала и последующими логическими входами. Буфер изолирует исходное устройство от суммарной входной нагрузки и обеспечивает заданную выходную мощность драйвера. В случаях большого fanout следует использовать несколько буферизованных ветвей, вместо того чтобы заставлять один выходной вывод управлять большой емкостной сетью. Это дает каждой ветви более короткое соединение, меньшую эффективную нагрузку и более чистый логический переход.

Программируемая логика предоставляет более гибкую версию той же структуры. Сигнал может поступать в программируемую логическую ячейку, проходить через коммутационную матрицу или логику на основе LUT, а затем управлять несколькими сконфигурированными выходами. Для каждого выхода можно задать собственные электрические параметры, если устройство поддерживает такие опции, как push-pull drive, open-drain output, включение pull-up или pull-down и управление разрешением выхода.

Основные проектные проверки достаточно просты:

• Подтвердите, что суммарный ток утечки входов и емкостная нагрузка находятся в пределах допустимых параметров драйвера.
• Проверьте время нарастания и спада относительно требуемого временного запаса.
• Избегайте длинных несогласованных ответвлений при высокой скорости фронтов.
• Используйте отдельные буферизованные выходы, когда нагрузки распределены по плате.

Простое расширение I/O последовательного интерфейса

Как разветвить аналоговый сигнал

Расширение аналоговых I/O начинается с условий нагрузки на источник сигнала. Выход датчика, выход DAC, узел смещения или линия аналогового мониторинга могут казаться легко тиражируемыми, но каждое дополнительное назначение добавляет входную емкость, ток смещения, утечки и паразитные параметры трассировки. Источник должен сохранять требуемую точность напряжения, полосу пропускания, время установления и запас по шуму после подключения всех нагрузок. Если эти пределы превышены, структура fanout требует активных схем, а не простой разведенной сети.

Буфер с единичным усилением обычно является первым каскадом, когда нескольким цепям требуется одно и то же аналоговое напряжение. Буфер обеспечивает высокое входное сопротивление для источника и низкое выходное сопротивление для последующих нагрузок. Для распределенных нагрузок отдельные буферные выходы обычно лучше, чем один усилитель, работающий на длинную разветвленную структуру трасс. Это позволяет избежать неконтролируемой емкостной нагрузки и упрощает проверку каждого выходного пути по времени установления, полосе пропускания и устойчивости.

Когда последующей схеме требуется только определение порога, обычно более чистым интерфейсом является компаратор. Аналоговый сигнал остается локальным на входе компаратора, а выход компаратора становится цифровым сигналом, который можно расширить через программируемую логику. Это полезно для обнаружения power-good, флагов неисправности, событий пробуждения, определения пределов и условий аналоговой тревоги.

Важные проверки при расширении аналоговых сигналов включают:

• Проверьте импеданс источника относительно тока входного смещения и ошибки утечки
• Проверьте выходную нагрузочную способность усилителя относительно суммарной емкостной нагрузки
• Подтвердите устойчивость усилителя при ожидаемой нагрузке и емкости трассировки
• Добавьте гистерезис компаратора, когда шум порога может вызывать множественные переключения
• Сохраняйте чувствительную аналоговую трассировку локальной, когда расширенные выходы могут быть цифровыми

Оптимальная реализация зависит от того, нужна ли системе точная аналоговая копия, масштабированная аналоговая версия или цифровой результат с пороговой квалификацией.

Расширенное смешанное сигнальное I/O в GreenPAK

Преимущество процессора смешанных сигналов выходит далеко за пределы простого fanout входных сигналов. Пользовательскую логику можно реализовать в макроячейках процессора смешанных сигналов так, чтобы расширенные аналоговые и цифровые I/O могли быть кондиционированы, квалифицированы, секвенированы или защелкнуты перед передачей остальной части системы. Обычно для этих функций требуются дискретная логика, сложная программа в микроконтроллере и ADCs/DACs.

Благодаря дополнительным GPIO, программируемой логике и конфигурируемому аналоговому фронтенду в устройстве GreenPAK эти функции расширения I/O можно реализовать напрямую, без добавления дополнительных ИС и без использования большего числа выводов микроконтроллера. Это объединяет пользовательскую логику уровня CPLD и полностью настраиваемую аналоговую схему в одном программируемом компоненте для функций fanout сигналов.

Чтобы помочь разработчикам создавать собственные компоненты, Renesas предоставляет Go Configure Software Hub для настройки программируемых логических ячеек, кастомизации pinout компонента и проектирования полностью интегрированного аналогового фронтенда для обработки аналоговых сигналов.

Проект расширителя I/O GreenPAK в программном обеспечении Go Configure.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с компонентами GreenPAK и референсными примерами.

• Узнайте больше о компонентах GreenPAK
• Посмотреть решения расширителей I/O GreenPAK

Независимо от того, нужно ли вам создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и CAD-инструменты мирового класса, предлагаемые Altium, для реализации ваших решений GreenPAK. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования PCB и возможности междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь с экспертом Altium уже сегодня!