電子電路中隔離的全面介紹之
-----數字電路的隔離（連載3）
數位隔離技術常用於工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣的場合。數位隔離電路主要用於數字信號和開關量信號的傳輸。數字隔離器件的生產商很多，如安華高的HCPL系列、TI的ISO72XX系列、ADI的 ADuM12/14XX系列、NVE的ILXX系列、芯科實驗室的SI84XX等公司，各廠商的產品都得到了廣泛的應用。依照數位式隔離電路的生產工藝、 電氣結構和傳輸原理，數字隔離電路主要分為光電隔離、電磁隔離以及電容隔離技術的數位隔離器件。
光電隔離
在隔離方面，光電隔離可謂是老大哥了，也是最為我們所熟知的一種隔離器件，尤其是 6N137可謂是在高速數位隔離方面獨領風騷。其隔離原理我想就不用再過多的描述了吧。但隨著工業技術的不斷發展，光電隔離的速率、LED老化、使用不方便、功耗過高等缺點也暴露出來。但因為 6N137一直是主流，所以成本也比較低。
電磁隔離
與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應用歷史，但通常僅用於電源或模擬隔離器，而非數字器件。隨著製造工藝的進步和研發設計水平的提高，電感式數字隔離器件得到了迅速的發展和廣泛的運用。
電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現通信。電感耦合的優勢之一是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個優勢是信號能量的轉換效率極高，因而可以實現低功耗隔離器。變壓器是一個最常見的例子：初級繞組及次級繞組的結構(單位長度的圈數)、磁芯介電常數以及電流強度決定了磁場強度。根據對數字信號編解碼的不同，主要有以採用脈衝調製(ADI公司)和射頻調製(芯科實驗室)為主的兩類產品。而採用巨磁電阻(GMR)效應技術設計的數字隔離器件是另一個例子，以NVE公 司和安華高公司為代表。
脈衝調製變壓器隔離器件
ADI公司的ADuM磁隔離芯片是基於芯片尺寸變壓器的磁耦合 器，是採用脈衝調製方式實現的數字隔離器件。平面變壓器採用CMOS金屬層，頂部鍍了一層金用於鈍化。在鍍金層下面的抗高擊穿電壓的聚酰亞胺層將其頂部的 變壓器線圈和底部線圈隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。晶片級信號處理提供了一種在單顆芯片中集成多 個隔離通道以及其它半導體功能的低成本方法。iCoupler技術消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90％，並且無需外部驅動器或分立器件。 數字信號的傳送是通過發送大約1ns寬的短脈衝到變壓器另一端來實現的，兩個連續的短脈衝表示一個上升沿，單個短脈衝表示下降沿。次級端有一個不可重複觸發的單穩態電路產生檢測脈衝。如果檢測到兩個脈衝，輸出就被置為高電平。相反的，如 果檢測到單個脈衝，輸出就置為低電平。採用一個輸入濾波器有助於提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測到信號邊緣，發送刷新脈衝信號給變壓器來保證直流的正確性(直流校正功能)。如果輸入為高電平，就產生兩個連續的短脈衝作為刷新脈衝，如果輸入為低電平，就產生單個短脈衝刷新。這對於上電狀態和具有低數據速率的輸入波形或恆定的直流輸入是很重要的。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端採用了一個監視定時器來保證在沒有檢測到刷新脈衝時，輸出處於一 種故障安全狀態。
ADI的ADuM磁隔離芯片是最早使用電磁隔離技術的，也是所有隔離器件裡面功耗最低 的隔離器，應用的是ADI公司的icoupler專利技術，目前除ADI的各大代理商外，北京晶圓智通科技有限公司在專門的做ADuM磁隔離芯片的技術推廣,網站上資料比較全：www.adum.com.cn.射頻調製變壓器隔離器件
芯科實驗室公司是採用射頻調製變壓器技術研發生產數字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構為基礎，利用標準全CMOS工藝製造多組芯片級變壓器，能夠提供整合度最高的6通道隔 離功能。產品中採用的射頻編碼和譯碼機制使得不需要特別考慮或初始設定，就能提供可靠的隔離數據路徑。芯科實驗室公司產品的優點與ADI公司的產品類似， 但有一個很明顯的缺點。由於採用射頻調製，內部有2.1GHz的載波產生及檢測，載波和諧波會對外界產生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC(美國通信委 員會)標準要求。
巨磁電阻隔離器件
NVE公司的IL系列和安華高公司的 HCPL-90XX/09XX系列高速數字隔離器件是採用巨磁電阻技術集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應電流，產生 正比的磁場。總的磁場改變GMR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。該類器件優點與別的電感式器件類似，但有幾個明顯的缺點：上電或初始狀態時輸入與輸出可能狀態不一致；對輸入噪聲敏感，伴隨一個噪聲尖峰，輸出不穩定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會振盪;對較緩 的脈衝上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會振盪;輸出有過沖;無直流校正功能，無法傳輸直流信號。
電容隔離
TI公司的IS072x系列數字隔離器採用電容耦合技術。電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩定的可靠性 和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質材料決定了電氣特性。採用電容隔離層的優勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能。抗干擾性則使得器件可以在飽和或密集磁場環境下工作。與變壓 器不同的是，電容耦合的缺點在於無差分信號，並且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高於可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗而對噪聲呈現高阻抗。電容耦合還存在帶寬限制，並需要時鐘編碼數據。
各數字隔離器件比較
各公司的隔離器件只要通道數相同，都採用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數情況下都可相互替換。產品設計師可根據具體需要選擇不同公司的產品，也可在調試時更換，給產品設計留下了更多的選擇空間。
下面我們就以表格的形式來看一下各廠商的隔離器件性能比較：
型號
|
廠商
|
采 用
技 術
|
隔 離
通 道
|
隔 離
電 壓
|
工 作
電 壓
|
工 作
電 流
|
輸出
電流
|
封裝
|
6N137
|
東芝
|
光電隔離
|
1
|
2500V
|
5V
|
15mA
|
50mA
|
DIP-8
|
ADuM1201
|
ADI
|
電磁隔離
|
2
|
2500V
|
2.7V--5.5V
|
1.6mA
|
35mA
|
SOIC-8
|
SI8421
|
SI
|
電磁隔離
|
2
|
2500V
|
2.7V--5.5V
|
5mA
|
10mA
|
SOIC-8
|
IL511
|
NVE
|
電磁隔離
|
2
|
2500V
|
3.0V--5.5V
|
4mA
|
10mA
|
SOIC-8
|
ISO721
|
TI
|
電容隔離
|
2
|
2500V
|
3.0V--5.5V
|
7.5mA
|
10mA
|
SOIC-8
|
各大
廠商
種類
比 較
|
目前各大廠商的數字隔離器裡面，ADI的種類最多，不僅可提供5000V隔離度的隔離器，還可提供RS232、RS485、 USB等隔離芯片，而且是唯一可集成DC-DC隔離電源隔離芯片；SI只可提供單純的數字隔離器，不過可達6通道；NVE可提供RS485的隔離芯 片；TI可提供RS485、CAN的隔離芯片。所有數字隔離器裡面，ADI的數字隔離器種類最多、型號最全、功耗最低、IO驅動能力最 強。（-35mA---+ 35m A）
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關於數字隔離器的一些基本情況我們先介紹到這裡，下一章我們將重點介紹數字隔離器在嵌入式接口裡的應用。
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