Bộ mở rộng I/O cho tín hiệu analog và digital

Đôi khi, một tín hiệu đơn lẻ không thể điều khiển toàn bộ số lượng I/O cần thiết trong một thiết kế. Nhiều linh kiện khác nhau thường được dùng cho mục đích này, thường bao gồm một tập hợp các mạch tích hợp với các chức năng logic riêng lẻ hoặc các linh kiện đệm hay redriver đơn giản. Với tín hiệu tương tự, cách tiếp cận tương tự cũng thường cần thiết với buffer hoặc bộ khuếch đại, mặc dù việc này có thể khó khăn khi các I/O analog yêu cầu các mức tín hiệu khác nhau.

Đây là lĩnh vực mà các ASIC mixed-signal có thể lập trình phát huy tác dụng, vì chúng cho phép triển khai khả năng đệm analog và digital trong cùng một linh kiện. Các ô logic lập trình có thể được sử dụng để xử lý phần fanout digital, trong khi một buffer được thiết kế chuyên biệt có thể được dùng để xử lý phần fanout analog.

Logic số cho mở rộng I/O

Mở rộng digital I/O bắt đầu từ yêu cầu khả năng lái đầu ra. Một đầu ra logic đơn có thể kết nối tới nhiều đầu vào nếu xét theo góc độ tải DC, nhưng điều đó không đảm bảo chuyển mạch đáng tin cậy khi xét đến tốc độ sườn, điện dung đầu vào, chiều dài đường mạch và hiện tượng chuyển mạch đồng thời. Mỗi đầu vào được thêm vào sẽ làm tăng tải điện dung, và bộ lái phải nạp hoặc xả tải đó đủ nhanh để đáp ứng các yêu cầu VIH, VIL, setup và hold của thiết bị nhận.

Cách triển khai đơn giản nhất là dùng một buffer số, cổng không đảo hoặc line driver đặt giữa tín hiệu nguồn và các đầu vào logic phía sau. Buffer sẽ cách ly thiết bị nguồn khỏi tổng tải đầu vào và cung cấp khả năng lái đầu ra xác định. Trong các trường hợp fanout lớn hơn, nên dùng nhiều nhánh có đệm thay vì ép một chân đầu ra phải lái một mạng điện dung lớn. Cách này giúp mỗi nhánh có liên kết ngắn hơn, tải hiệu dụng thấp hơn và chuyển mức logic sạch hơn.

Logic lập trình cung cấp một phiên bản linh hoạt hơn của cùng cấu trúc này. Một tín hiệu có thể đi vào một ô logic lập trình, đi qua kết cấu định tuyến hoặc logic dựa trên LUT, rồi điều khiển nhiều đầu ra đã cấu hình. Mỗi đầu ra có thể được gán đặc tính điện riêng khi thiết bị hỗ trợ các tùy chọn như lái push-pull, đầu ra open-drain, bật pull-up hoặc pull-down, và điều khiển cho phép đầu ra.

Các kiểm tra thiết kế quan trọng khá đơn giản:

• Xác nhận rằng tổng dòng rò đầu vào và tải điện dung nằm trong giới hạn của bộ lái.
• Kiểm tra thời gian sườn lên và sườn xuống so với biên timing yêu cầu.
• Tránh các nhánh dài không kết cuối khi tốc độ sườn cao.
• Sử dụng các đầu ra có đệm riêng khi các tải phân bố trên toàn board.

Mở rộng I/O đơn giản của một giao tiếp nối tiếp

Cách fan out một tín hiệu analog

Mở rộng analog I/O bắt đầu từ điều kiện tải của tín hiệu nguồn. Đầu ra cảm biến, đầu ra DAC, nút bias hoặc đường giám sát analog có thể trông như dễ sao chép, nhưng mỗi điểm đến bổ sung đều làm tăng điện dung đầu vào, dòng bias, dòng rò và ký sinh do định tuyến. Nguồn phải duy trì được độ chính xác điện áp, băng thông, thời gian xác lập và biên độ chống nhiễu yêu cầu sau khi tất cả các tải được kết nối. Khi các giới hạn đó bị vượt quá, cấu trúc fanout sẽ cần mạch tích cực thay vì chỉ một net được định tuyến đơn giản.

Một buffer gain bằng 1 thường là tầng đầu tiên khi nhiều mạch cần cùng một điện áp analog. Buffer tạo trở kháng đầu vào cao đối với nguồn và trở kháng đầu ra thấp đối với các tải phía sau. Với các tải phân tán, các đầu ra đệm riêng thường tốt hơn một bộ khuếch đại duy nhất phải lái một cấu trúc đường mạch phân nhánh dài. Cách này tránh được tải điện dung không kiểm soát và giúp mỗi đường đầu ra dễ xác thực hơn về thời gian xác lập, băng thông và độ ổn định.

Khi mạch phía sau chỉ cần một quyết định ngưỡng, comparator thường là giao diện sạch hơn. Tín hiệu analog được giữ cục bộ tại đầu vào comparator, còn đầu ra comparator trở thành tín hiệu số có thể được mở rộng thông qua logic lập trình. Điều này hữu ích cho phát hiện power-good, cờ lỗi, sự kiện đánh thức, phát hiện giới hạn và các điều kiện cảnh báo analog.

Các kiểm tra quan trọng khi mở rộng analog bao gồm:

• Xác minh trở kháng nguồn so với dòng bias đầu vào và sai số do dòng rò
• Kiểm tra khả năng lái đầu ra của bộ khuếch đại so với tổng tải điện dung
• Xác nhận độ ổn định của bộ khuếch đại với tải và điện dung đường mạch dự kiến
• Thêm hysteresis cho comparator khi nhiễu ngưỡng có thể tạo ra nhiều lần chuyển trạng thái
• Giữ định tuyến analog nhạy cảm ở phạm vi cục bộ khi các đầu ra mở rộng có thể là tín hiệu số

Cách triển khai tốt nhất phụ thuộc vào việc hệ thống cần một bản sao analog trung thực, một phiên bản analog đã được scale, hay một kết quả số được xác nhận theo ngưỡng.

Mở rộng I/O mixed-signal nâng cao trong GreenPAK

Lợi thế của một bộ xử lý mixed-signal không chỉ dừng ở fanout đơn giản các tín hiệu đầu vào. Logic tùy chỉnh có thể được triển khai trong các macro cell của bộ xử lý mixed-signal để các I/O analog và digital đã mở rộng có thể được điều hòa, xác nhận, sắp chuỗi hoặc chốt trước khi đến phần còn lại của hệ thống. Những chức năng này thông thường sẽ cần logic rời, một chương trình phức tạp trong vi điều khiển và ADC/DAC.

Với các GPIO bổ sung, logic lập trình và một front end analog có thể cấu hình trong thiết bị GreenPAK, các chức năng mở rộng I/O này có thể được triển khai trực tiếp mà không cần thêm IC hoặc tiêu tốn nhiều chân vi điều khiển hơn. Điều này mang logic tùy chỉnh kiểu CPLD và mạch analog có thể tùy biến hoàn toàn vào cùng một linh kiện lập trình cho các chức năng fanout tín hiệu.

Để giúp các nhà thiết kế xây dựng các linh kiện tùy chỉnh của mình, Renesas cung cấp Go Configure Software Hub để cấu hình các ô logic lập trình, tùy chỉnh pinout của linh kiện và thiết kế front-end analog tích hợp hoàn chỉnh cho xử lý tín hiệu analog.

Thiết kế bộ mở rộng I/O GreenPAK trong phần mềm Go Configure.

Để tìm hiểu thêm, hãy xem các linh kiện GreenPAK và các ví dụ tham chiếu.

• Tìm hiểu thêm về các linh kiện GreenPAK
• Xem các giải pháp bộ mở rộng I/O GreenPAK

Dù bạn cần xây dựng hệ thống điện công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới do Altium cung cấp để triển khai các giải pháp GreenPAK của bạn. Altium mang đến nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, hoàn chỉnh với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!