引言

　　數(shù)字隔離技術常用于工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境的現(xiàn)場總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環(huán)境比較惡劣的場合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號和開關量信號的傳輸。使用隔離電路的一個首要原因是為了消除噪聲。另一個重要原因是保護器件（或人）免受高電壓的危害。廠商的產(chǎn)品手冊中所列出的隔離等級（isolation rating）應符合美國保險商實驗室 （UL 1577）、國際電工委員會 （IEC 60747-5-2、IEC 61010-1）以及加拿大標準協(xié)會 （CSA Component Acceptance Notice 5A） 制定的有關隔離器標準。

　　數(shù)字隔離器件的生產(chǎn)商很多，如安華高、TI、ADI、NVE（nonvolatile electronics Inc）、芯科實驗室（Silicon Laboratories）等公司，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛的應用。依照數(shù)字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結構和傳輸原理，數(shù)字隔離電路主要分為光學、電感以及電容耦合技術的數(shù)字隔離器件。產(chǎn)品有消費設備、工業(yè)控制、軍用、航空航天等多個級別供用戶選擇。

　　各類數(shù)字隔離器件的工作原理及特點

　　光電隔離器

　　光耦合器（optical coupler）也叫光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）被封裝在同一管殼內，當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得了廣泛的應用。其電路結構相對較為簡單，主要由砷化鎵紅外發(fā)光二極管和用作檢測器的光敏二極管或三極管組成，有些產(chǎn)品在光敏二極管或三極管的后級添加一些處理電路，使其特性適合于一些特殊的應用或實現(xiàn)一些標準接口。安華高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框圖如圖1所示。

　　圖1 安華高公司耦合器HCPL-0723的原理框圖

　　光耦合長久以來一直用于工業(yè)網(wǎng)絡，電氣層接口的早期參考設計中通常包括光耦合器。其主要優(yōu)勢是光線具有抗外部電磁場干擾的固有特性，而且光耦合可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)信息的傳輸。不足之處在于傳輸速度有限、功耗大并且發(fā)光二極管（LED）易受時間及溫度的影響而老化。

　　電感式隔離器

　　與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字器件。但隨著制造工藝的進步和研發(fā)設計水平的提高，電感式數(shù)字隔離器件得到了迅速的發(fā)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(xiàn)通信。電感耦合的優(yōu)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(yōu)勢是信號能量的轉換效率極高，因而可以實現(xiàn)低功耗隔離器。缺點之一是易受外部磁場（噪聲）的干擾。馬達控制等工業(yè)應用在磁場環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個值得關注的問題是數(shù)字數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)游程長度（Data run-length，連續(xù)“1”或“0”的數(shù)目）的傳輸。初級繞組與次級繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞一定頻率范圍的信號。數(shù)據(jù)游程長度的限制或時鐘編碼要求信號必須保持在變壓器的可用帶寬范圍內。使用電感耦合的通用數(shù)字隔離器需要對信號進行處理才能傳輸并重建數(shù)字信號，以及傳輸代表一長串“1”或“0”的低頻信號，甚至直流電平。

　　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(shù)）、磁芯介電常數(shù)以及電流強度決定了磁場強度。根據(jù)對數(shù)字信號編解碼的不同，主要有以采用脈沖調制（ADI公司）和射頻調制（芯科實驗室）為主的兩類產(chǎn)品。而采用巨磁電阻（GMR）效應技術設計的數(shù)字隔離器件是另一個例子，以NVE公司和安華高公司為代表。

　　脈沖調制變壓器隔離器件

　　ADI公司的iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調制方式實現(xiàn)的數(shù)字隔離器件。平面變壓器采用CMOS金屬層，頂部鍍了一層金用于鈍化。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%，并且無需外部驅動器或分立器件。

　　數(shù)字信號的傳送是通過發(fā)送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來實現(xiàn)的，兩個連續(xù)的短脈沖表示一個上升沿，單個短脈沖表示下降沿。信號傳送框圖如圖2所示。次級端有一個不可重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個脈沖，輸出就置為低電平。采用一個輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測到信號邊緣，發(fā)送刷新脈沖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(chǎn)生兩個連續(xù)的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產(chǎn)生單個短脈沖刷新。這對于上電狀態(tài)和具有低數(shù)據(jù)速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端采用了一個監(jiān)視定時器來保證在沒有檢測到刷新脈沖時，輸出處于一種故障安全狀態(tài)。ADI公司ADuM1100器件原理框圖如圖3所示。

　　圖2 ADI公司iCoupler系列數(shù)字信號傳輸框圖

　　圖3 ADI公司ADuM1100器件原理框圖