Mở rộng I/O cho tín hiệu số, tương tự và tín hiệu hỗn hợp

Thường thì một tín hiệu I/O đơn cần được nhận bởi nhiều tải, चाहे trong miền tương tự hay miền số. Trong nhiều hệ thống, vi điều khiển hoặc bộ xử lý có số lượng chân khả dụng hạn chế, nhưng thiết kế lại yêu cầu điều khiển hoặc cảm nhận tín hiệu trên số lượng điểm cuối lớn hơn. Điều này tạo ra một bài toán cơ bản về định tuyến và kiến trúc cần được giải quyết ở cấp độ bo mạch, và giải pháp phụ thuộc rất nhiều vào việc các tín hiệu liên quan là tín hiệu số, tương tự hay kết hợp cả hai.

Các phương pháp mở rộng dung lượng I/O khác nhau đáng kể giữa các miền này. Việc mở rộng số được hỗ trợ tốt bởi các IC mở rộng chuyên dụng dựa trên giao thức, trong khi phân phối tín hiệu tương tự đòi hỏi đệm chủ động hoặc ghép kênh để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu. Các giao diện tín hiệu hỗn hợp đặt ra bài toán thiết kế bị ràng buộc nhiều nhất vì chúng yêu cầu cả logic điều khiển số lẫn điều hòa tín hiệu tương tự trong một triển khai nhỏ gọn. Hiểu rõ các đánh đổi trong từng miền giúp nhà thiết kế chọn đúng kiến trúc mà không thiết kế quá mức hoặc làm giảm hiệu năng ở những nơi quan trọng.

Mở rộng I/O tín hiệu số

Phương pháp chính để mở rộng I/O số là sử dụng một ASIC chuyên dụng hỗ trợ giao thức truyền thông mà bộ điều khiển chủ sử dụng. Các IC mở rộng này nhận lệnh qua bus nối tiếp và cung cấp thêm các I/O mục đích chung cho hệ thống mà không tiêu tốn quá nhiều chân của bộ xử lý. Các giao thức phổ biến được các bộ mở rộng I/O số hỗ trợ bao gồm:

• I2C
• SPI
• SMBus
• Các giao diện tùy chỉnh dựa trên GPIO

Khi lựa chọn bộ mở rộng I/O số, nhà thiết kế nên đánh giá liệu có cần chuyển mức điện áp giữa điện áp bus phía host và miền điện áp đầu ra mở rộng hay không. Nhiều bộ mở rộng I/O hiện đại tích hợp sẵn khả năng chuyển mức điện áp trên chip, loại bỏ nhu cầu dùng bộ chuyển mức bên ngoài. Tuy nhiên, nếu bộ mở rộng không hỗ trợ sẵn các mức logic mục tiêu, cần bổ sung bộ chuyển mức ngoài, làm tăng diện tích bo mạch và số lượng linh kiện. Khả năng kéo tải, kiểu đầu ra (push-pull so với open-drain) và khả năng ngắt là các tiêu chí lựa chọn bổ sung ảnh hưởng đến mức độ tích hợp gọn gàng của bộ mở rộng vào kiến trúc hệ thống tổng thể.

Phân phối tín hiệu tương tự

Phân phối tín hiệu tương tự đưa một tín hiệu nguồn duy nhất đến nhiều tải độc lập bằng cách sử dụng đệm chủ động. Các bộ theo điện áp op-amp hệ số khuếch đại bằng 1 tạo trở kháng cao đối với nguồn đồng thời cung cấp các bản sao trở kháng thấp ở từng đầu ra, ngăn hiệu ứng tải và cách ly các kênh phía sau khỏi nhau. Với số lượng kênh lớn hơn, các IC mux/demux tương tự chuyên dụng hoặc ma trận chuyển mạch crosspoint cung cấp định tuyến có cấu trúc dưới điều khiển số, dù chúng tạo ra điện trở dẫn, điện tích phun và các giới hạn băng thông cần được đánh giá theo yêu cầu ứng dụng.

Trong các ứng dụng cần điều hòa tín hiệu trong quá trình phân phối, có thể đặt bộ khuếch đại đo lường hoặc bộ khuếch đại hệ số khuếch đại lập trình được tại mỗi tầng đầu ra để cung cấp độ lợi, lọc hoặc phối hợp trở kháng phù hợp với từng tải. Việc lựa chọn giữa phân phối thụ động, đệm chủ động và định tuyến chuyển mạch phụ thuộc vào băng thông yêu cầu, độ cách ly kênh và việc đầu ra đồng thời hay đầu ra ghép kênh theo thời gian có được chấp nhận hay không. Bảng dưới đây tóm tắt các đánh đổi chính giữa những kiến trúc phân phối phổ biến.

Một số cân nhắc thiết kế bổ sung cho mạch phân phối tín hiệu tương tự gồm:

• Trở kháng nguồn phải luôn thấp so với trở kháng đầu vào song song của tất cả các tầng đệm để tránh sai số độ lợi tại nút phân phối.
• Mỗi đầu ra bộ đệm nên được tách nhiễu khỏi các đường nguồn dùng chung để ngăn xuyên nhiễu thông qua ghép nối do nguồn cấp gây ra.
• Nếu có độ nhạy về pha/thời gian, đường mạch từ nút phân phối đến từng bộ đệm nên được cân bằng chiều dài.

Mở rộng I/O tín hiệu hỗn hợp nhỏ gọn

Các bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp lập trình được tích hợp các khối tương tự có thể cấu hình (bộ so sánh, bộ khuếch đại, DAC, điện áp tham chiếu) cùng với các phần tử logic số (bảng tra, flip-flop, bộ đếm, khối trễ) trong cùng một IC. Kết quả là về cơ bản tạo ra một thiết bị tương đương CPLD cho tín hiệu tương tự: nhà thiết kế triển khai một front-end tương tự tùy chỉnh ngay bên trong chip, được cấu hình bằng phần mềm thay vì xây dựng từ các op-amp, bộ so sánh và mạng thụ động rời rạc phân bố trên bo mạch.

Kiến trúc này loại bỏ mạch tương tự rời rạc, giảm số lượng linh kiện và thu nhỏ đáng kể diện tích bo mạch so với các giải pháp rời rạc tương đương. Nó cũng loại bỏ nhiều độ nhạy bố trí liên quan đến các nút tương tự trở kháng cao được định tuyến trên PCB. Tính lập trình được cho phép cùng một thiết bị vật lý có thể được cấu hình lại cho các yêu cầu giao diện tương tự khác nhau mà không cần làm lại bo mạch, và việc kết hợp logic điều khiển số với xử lý tín hiệu tương tự trong một gói giúp đơn giản hóa việc phân chia giữa miền tương tự và miền số.

GreenPAK như một nền tảng I/O tín hiệu hỗn hợp

GreenPAK của Renesas là một họ IC tín hiệu hỗn hợp có thể cấu hình dùng bộ nhớ không bay hơi, tích hợp các khối tương tự (op-amp, bộ so sánh, điện áp tham chiếu, ADC) với logic số (LUT, flip-flop, bộ đếm, phần tử trễ) trong một gói có kích thước nhỏ. Các thiết bị này được lập trình thông qua công cụ đồ họa dựa trên sơ đồ nguyên lý thay vì HDL, giúp chúng dễ tiếp cận hơn với các kỹ sư phần cứng đang xây dựng logic giao tiếp tùy chỉnh mà không cần quy trình FPGA truyền thống.

Nhà thiết kế có thể xây dựng và mô phỏng bộ mở rộng giao diện tín hiệu hỗn hợp với front-end tương tự tích hợp cho một linh kiện GreenPAK bằng phần mềm Go Configure của Renesas. Công cụ này cung cấp môi trường thiết kế kéo-thả, trong đó các tài nguyên tương tự và số nội bộ được kết nối trực quan, mô phỏng để xác minh chức năng, rồi được lập trình vào thiết bị đích thông qua bộ kit phát triển.

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 khảo.

• 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 tử 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, đi kèm các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!