數(shù)字隔離技術(shù)

1、數(shù)字隔離技術(shù)與電平轉(zhuǎn)換Digital Isolation Technology and Electrical Level Shift講授人： 江文亮 0803120100242014.20.27 主要內(nèi)容數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離技術(shù)分類數(shù)字隔離實(shí)例4123測(cè)試與結(jié)果4 5電平轉(zhuǎn)換技術(shù)電平標(biāo)準(zhǔn)介紹一、數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離技術(shù)概述4 5 數(shù)字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設(shè)備中，尤其是一些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸。使用隔離電路的一個(gè)首要原因是為了消除噪聲。另一個(gè)重要原因是保護(hù)器件(或人)免受高電壓的危害。電磁兼容性

2、（電磁兼容性（EMCEMC）：設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。二、數(shù)字隔離技術(shù)分類數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離電路主要分為（按生產(chǎn)工藝、電氣結(jié)構(gòu)和傳輸原理劃分）： 光電隔離器（光耦） 電感式隔離器（磁耦，數(shù)字隔離器） 電容隔離器（數(shù)字隔離器）測(cè)試與結(jié)果4 5電平轉(zhuǎn)換技術(shù)光耦數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離技術(shù)分類測(cè)試與結(jié)果4 5小結(jié)電平轉(zhuǎn)換技術(shù)TLP521：低速光耦，最大傳輸速率約200KHZ。采用砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)光敏二極管受到光線照射時(shí)導(dǎo)通，否則斷開(kāi)。數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離技術(shù)分類4 56N136/6N137:高速光耦，6N136

3、最大傳輸速率1MHZ,6N137最大傳輸速率10MHZ數(shù)字隔離技術(shù)概述4 5 光耦是一種傳統(tǒng)隔離器，在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用，也是傳統(tǒng)數(shù)字隔離的唯一合理選擇。但是隨著對(duì)數(shù)字隔離技術(shù)需求的發(fā)展，光耦的局限性逐漸顯露：功耗極高（相比其他隔離技術(shù)），傳輸速率低（通常低于1MHZ），LED老化。雖然存在效率更高和傳輸更快的光耦，但是成本很高。電感式隔離器測(cè)試與結(jié)果4 5小結(jié)電平轉(zhuǎn)換技術(shù)SI844X數(shù)字隔離技術(shù)概述4 54 5ICOUPLERICOUPLER專利技術(shù)專利技術(shù)數(shù)字隔離技術(shù)概述4 5優(yōu)點(diǎn)：功耗低，比光耦低10-100倍缺點(diǎn)：易受外部磁場(chǎng)（噪聲）的干擾 如果1ms左右沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)邊緣，發(fā)送刷

4、新脈沖信號(hào)給變壓器來(lái)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(gè)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(gè)短脈沖刷新。這對(duì)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(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器端的刷新電路，在接收器端采用了一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器來(lái)保證在沒(méi)有檢測(cè)到刷新脈沖時(shí)，輸出處于一種故障安全狀態(tài)。數(shù)字隔離技術(shù)概述4 5電容式隔離器4 5電容式隔離器數(shù)字隔離技術(shù)概述4 5電容式隔離器 采用差分信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可以抑制接收器的共模噪聲。共模抑制與耦合介質(zhì)（對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻，對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)低阻）共同實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)干擾能力 通過(guò)電路分析可以得知，100KHZ以下的噪聲將會(huì)被濾

5、除，這是采用高頻信號(hào)經(jīng)電容隔離傳輸?shù)暮锰帯?具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力（依靠電場(chǎng)的變化進(jìn)行傳播）和瞬變電壓的能力。 電容式隔離器在體積、能量轉(zhuǎn)換和抗磁場(chǎng)干擾方面體現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字隔離技術(shù)概述4 5各類數(shù)字隔離器件對(duì)比數(shù)字隔離技術(shù)概述4 5數(shù)字隔離的實(shí)際應(yīng)用4 5電平標(biāo)準(zhǔn)介紹1、TTL（Transistor-Transistor Logic）5VVcc：5V；VOH=2.4V；VOL=2V；VIL=2.4V；VOL=2.0V；VIL=2.0V；VOL=1.7V；VIL=4.45V；VOL=3.5V；VIL=3.2V；VOL=2.0V；VIL=2V；VOL=1.7V；VIL=0.7V4 5電平標(biāo)

6、準(zhǔn)介紹從上面可以看出:1)在同樣5V電源電壓情況下，COMS電路可以直接驅(qū)動(dòng)TTL，因?yàn)镃MOS的輸出高電平大于2.0V,輸出低電平小于0.8V；而TTL電路則不能直接驅(qū)動(dòng)CMOS電路，TTL的輸出高電平為大于2.4V，如果落在2.4V3.5V之間，則CMOS電路就不能檢測(cè)到高電平，低電平小于0.4V滿足要求，所以在TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí)需要加上拉電阻2) 3.3VCMOS可以直接驅(qū)動(dòng)5V的TTL電路3) 74系列簡(jiǎn)介：74系列可以說(shuō)是我們平時(shí)接觸的最多的芯片，74系列中分為很多種，而我們平時(shí)用得最多的應(yīng)該是以下幾種：74LS，74HC，74HCT這三種，這三種系列在電平方面的區(qū)別如下：

7、74LS：TTL電平，74HC：COMS電平，74HCT：TTL電平和COMS電平4 5電平標(biāo)準(zhǔn)介紹1）TTL電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件。2）TTL電路的速度快，傳輸延遲時(shí)間短(5-10ns)，但是功耗大。CMOS電路的速度慢，傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)(25-50ns),但功耗低。CMOS電路本身的功耗與輸入信號(hào)的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。3）CMOS電路是電壓控制器件，輸入電阻極大，對(duì)于干擾信號(hào)十分敏感，因此不用的輸入端不應(yīng)開(kāi)路，接到地或者電源上。4）COMS電路的鎖定效應(yīng)： COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大

8、。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時(shí)，COMS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。4 5電平標(biāo)準(zhǔn)介紹 在設(shè)計(jì)高速數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，傳統(tǒng)電平標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不適用如此高的傳輸速率，通常在解決芯片間的高速通信時(shí)，用到三種電平標(biāo)準(zhǔn)：PECL（Positive Emitter-Coupled Logic）、LVDS（Low-Voltage Differential Signals）、CML（Current Mode Logic）4 5電平標(biāo)準(zhǔn)介紹PECLVCC可以是3.3V或5V4 5電平轉(zhuǎn)換方法介紹(1)晶體管+上拉電阻法就是一個(gè)雙極型三極管或MOSFET，C/D極接一個(gè)上拉電阻到正電源，輸入電平很

9、靈活，輸出電平大致就是正電源電平。(2)OC/OD器件+上拉電阻法跟1)類似。適用于器件輸出剛好為OC/OD的場(chǎng)合。(3)74xHCT系列芯片升壓(3.3V5V)凡是輸入與5VTTL電平兼容的5VCMOS器件都可以用作3.3V5V電平轉(zhuǎn)換。這是由于3.3VCMOS的電平剛好和5VTTL電平兼容（巧合）而CMOS的輸出電平總是接近電源電平的。廉價(jià)的選擇如74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/.)系列(那個(gè)字母T就表示TTL兼容)。4 5電平轉(zhuǎn)換方法介紹(4)超限輸入降壓法(5V3.3V,3.3V1.8V,.)凡是允許輸入電平超過(guò)電源的邏輯器件，都可以用作降低電平。

10、這里的“超限”是指超過(guò)電源，許多較古老的器件都不允許輸入電壓超過(guò)電源，但越來(lái)越多的新器件取消了這個(gè)限制(改變了輸入級(jí)保護(hù)電路)。例如，74AHC/VHC系列芯片，其datasheets明確注明“輸入電壓范圍為05.5V”，如果采用3.3V供電，就可以實(shí)現(xiàn)5V3.3V電平轉(zhuǎn)換。(5)專用電平轉(zhuǎn)換芯片最著名的就是164245，不僅可以用作升壓/降壓，而且允許兩邊電源不同步。這是最通用的電平轉(zhuǎn)換方案，但是也是很昂貴的，約￥45/片，因此若非必要，最好用前兩個(gè)方案。4 5電平轉(zhuǎn)換方法介紹(6)電阻分壓法最簡(jiǎn)單的降低電平的方法。5V電平，經(jīng)1.6k+3.3k電阻分壓，就是3.3V。(7)限流電阻法如果嫌上面的兩個(gè)電阻太多，有時(shí)還可以只串聯(lián)一個(gè)限流電阻。某些芯片雖然原則上不允許輸入電平