用于模拟和数字信号的 I/O 扩展器

有时，单个信号无法驱动设计中所需的全部 I/O。为此通常会使用各种器件，通常包括一组具有独立逻辑功能的集成电路，或简单的缓冲器、重驱动器件。对于模拟信号，也常常需要采用相同的方法，使用缓冲器或放大器，不过当模拟 I/O 需要不同的信号电平时，这会变得比较困难。

这正是可编程混合信号 ASIC 的用武之地，因为它们允许在单个器件中实例化模拟和数字缓冲。可编程逻辑单元可用于处理数字扇出部分，而专用缓冲器则可用于处理模拟扇出。

用于 I/O 扩展的数字逻辑

数字 I/O 扩展始于输出驱动需求。从直流负载的角度看，单个逻辑输出也许能够连接多个输入，但在考虑边沿速率、输入电容、走线长度以及同时开关等因素后，这并不能保证可靠切换。每增加一个输入，都会增加电容负载，而驱动器必须足够快地对该负载进行充电或放电，以满足接收器件的 VIH、VIL、建立时间和保持时间要求。

最简单的实现方式是在源信号与下游逻辑输入之间放置一个数字缓冲器、同相门或线路驱动器。缓冲器将源器件与总输入负载隔离，并提供明确的输出驱动能力。在较大扇出场景中，应使用多个缓冲分支，而不是让一个输出引脚去驱动一个大型电容网络。这样可使每个分支的互连更短、等效负载更低，并获得更干净的逻辑转换。

可编程逻辑则提供了这种结构的更灵活版本。信号可以进入可编程逻辑单元，经过布线资源或基于 LUT 的逻辑后，再驱动多个已配置的输出。如果器件支持推挽驱动、开漏输出、上拉或下拉使能以及输出使能控制等选项，则每个输出都可以分配各自的电气行为。

重要的设计检查项很直接：

• 确认总输入漏电流和电容负载在驱动器额定范围内。
• 根据所需的时序裕量检查上升时间和下降时间。
• 当边沿速率较快时，避免使用过长且未端接的分支。
• 当负载分布在整块电路板上时，使用独立的缓冲输出。

串行接口的简单 I/O 扩展

如何扇出模拟信号

模拟 I/O 扩展始于源信号上的负载条件。传感器输出、DAC 输出、偏置节点或模拟监测线看起来似乎很容易复制，但每增加一个目标端，都会带来输入电容、偏置电流、漏电流以及布线寄生参数。源端必须在连接所有负载后，仍然保持所需的电压精度、带宽、建立时间以及噪声裕量。当这些限制被超出时，扇出结构就需要有源电路，而不能仅仅依靠简单的布线网络。

当多个电路需要相同的模拟电压时，单位增益缓冲器通常是第一级。缓冲器对源端呈现高输入阻抗，对下游负载呈现低输出阻抗。对于分布式负载，使用独立的缓冲输出通常比让一个放大器去驱动一条长分支走线结构更好。这样可以避免不可控的电容负载，并使每条输出路径更容易针对建立时间、带宽和稳定性进行验证。

当下游电路只需要进行阈值判定时，比较器通常是更简洁的接口。模拟信号保持在比较器输入端附近，而比较器输出则变为可通过可编程逻辑进行扩展的数字信号。这对于电源良好检测、故障标志、唤醒事件、限值检测和模拟告警条件非常有用。

重要的模拟扩展检查项包括：

• 根据输入偏置电流和漏电误差验证源阻抗
• 根据总电容负载
• 检查放大器输出驱动能力
• 确认放大器在预期负载和走线电容下的稳定性
• 当阈值噪声可能引起多次跳变时，为比较器添加迟滞当扩展后的输出可以是数字信号时，将敏感模拟布线保持在本地区域内

最佳实现方式取决于系统需要的是忠实的模拟副本、缩放后的模拟版本，还是经过阈值判定的数字结果。

GreenPAK 中的高级混合信号 I/O 扩展

混合信号处理器的优势不仅仅在于输入信号的简单扇出。可以在混合信号处理器的宏单元中实例化自定义逻辑，以便扩展后的模拟和数字 I/O 在到达系统其他部分之前，先进行调理、判定、排序或锁存。这些功能通常需要分立逻辑、微控制器中的复杂程序以及ADCs/DACs。

借助 GreenPAK 器件中的额外 GPIO、可编程逻辑和可配置的模拟前端，这些 I/O 扩展功能可以直接实现，而无需增加额外 IC，也不会占用更多微控制器引脚。这使类似 CPLD 的自定义逻辑与完全可定制的模拟电路能够集成到同一个可编程器件中，用于信号扇出功能。

为帮助设计人员构建自定义器件，Renesas 提供了Go Configure Software Hub，用于配置可编程逻辑单元、自定义器件引脚分配，以及设计用于模拟信号处理的完全集成式模拟前端。

Go Configure 软件中的 GreenPAK I/O 扩展器设计。

要了解更多信息，请查看 GreenPAK 器件和参考示例。

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