數(shù)字隔離技術(shù)

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)字隔離實例4123測試與結(jié)果45電平轉(zhuǎn)換技術(shù)電平標(biāo)準(zhǔn)介紹第一頁，共27頁。一、數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離技術(shù)概述45

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)境比較惡劣的場合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號和開關(guān)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(hù)器件(或人)免受高電壓的危害。電磁兼容性（EMC）：設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。第二頁，共27頁。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）測試與結(jié)果45電平轉(zhuǎn)換技術(shù)第三頁，共27頁。光耦數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離技術(shù)分類測試與結(jié)果45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導(dǎo)通，否則斷開。第四頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述數(shù)字隔離技術(shù)分類456N136/6N137:高速光耦，6N136最大傳輸速率1MHZ,6N137最大傳輸速率10MHZ第五頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述45

光耦是一種傳統(tǒng)隔離器，在各個領(lǐng)域有著廣泛的運用，也是傳統(tǒng)數(shù)字隔離的唯一合理選擇。但是隨著對數(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。第六頁，共27頁。電感式隔離器測試與結(jié)果45小結(jié)電平轉(zhuǎn)換技術(shù)SI844X第七頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述45第八頁，共27頁。45ICOUPLER專利技術(shù)第九頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述45優(yōu)點：功耗低，比光耦低10-100倍缺點：易受外部磁場（噪聲）的干擾

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(qū)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)。第十頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述45電容式隔離器第十一頁，共27頁。45電容式隔離器第十二頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述45電容式隔離器

采用差分信號傳輸?shù)膬?yōu)點是可以抑制接收器的共模噪聲。共模抑制與耦合介質(zhì)（對噪聲呈現(xiàn)高阻，對高頻信號呈現(xiàn)低阻）共同實現(xiàn)了瞬態(tài)干擾能力通過電路分析可以得知，100KHZ以下的噪聲將會被濾除，這是采用高頻信號經(jīng)電容隔離傳輸?shù)暮锰帯?/p>

具有很強的抗電磁干擾能力（依靠電場的變化進(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)換和抗磁場干擾方面體現(xiàn)出很強的優(yōu)勢。第十三頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述45各類數(shù)字隔離器件對比第十四頁，共27頁。數(shù)字隔離技術(shù)概述45數(shù)字隔離的實際應(yīng)用第十五頁，共27頁。45電平標(biāo)準(zhǔn)介紹1、TTL（Transistor-Transistor

Logic）5VVcc：5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=2V；VIL<=0.8V3.3VLVCMOS：Vcc：3.3V；VOH>=2.4V；VOL<=0.4V；VIH>=2.0V；VIL<=0.8V2.5VLVCMOS：Vcc：2.5V；VOH>=2.0V；VOL<=0.2V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V2、CMOS邏輯：5VVcc：5V；VOH>=4.45V；VOL<=0.5V；VIH>=3.5V；VIL<=1.5V3.3VLVCMOS：Vcc：3.3V；VOH>=3.2V；VOL<=0.1V；VIH>=2.0V；VIL<=0.7V2.5VLVCMOS：Vcc：2.5V；VOH>=2V；VOL<=0.1V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V第十六頁，共27頁。45電平標(biāo)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TTL，因為CMOS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CMOS電路，TTL的輸出高電平為大于2.4V，如果落在2.4V～3.5V之間，則CMOS電路就不能檢測到高電平，低電平小于0.4V滿足要求，所以在TTL電路驅(qū)動COMS電路時需要加上拉電阻2)

3.3VCMOS可以直接驅(qū)動5V的TTL電路3)

74系列簡介：74系列可以說是我們平時接觸的最多的芯片，74系列中分為很多種，而我們平時用得最多的應(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：74LS：TTL電平，74HC：COMS電平，74HCT：TTL電平和COMS電平第十七頁，共27頁。45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，傳輸延遲時間短(5-10ns)，但是功耗大。CMOS電路的速度慢，傳輸延遲時間長(25-50ns),但功耗低。CMOS電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率有關(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，對于干擾信號十分敏感，因此不用的輸入端不應(yīng)開路，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。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，COMS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。

第十八頁，共27頁。45電平標(biāo)準(zhǔn)介紹

在設(shè)計高速數(shù)字系統(tǒng)時，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，用到三種電平標(biāo)準(zhǔn)：PECL（PositiveEmitter-CoupledLogic）、LVDS（Low-VoltageDifferentialSignals）、CML（CurrentModeLogic）第十九頁，共27頁。45電平標(biāo)準(zhǔn)介紹——PECLVCC可以是3.3V或5V第二十頁，共27頁。45電平轉(zhuǎn)換方法介紹(1)

晶體管+上拉電阻法

就是一個雙極型三極管或

MOSFET，C/D極接一個上拉電阻到正電源，輸入電平很靈活，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

的場合。

(3)

74xHCT系列芯片升壓

(3.3V→5V)

凡是輸入與

5V

TTL

電平兼容的

5V

CMOS

器件都可以用作

3.3V→5V

電平轉(zhuǎn)換。

這是由于

3.3V

CMOS

的電平剛好和5V

TTL電平兼容（巧合）而

CMOS

的輸出電平總是接近電源電平的。

廉價的選擇如

74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/...)

系列

(那個字母

T

就表示

TTL

兼容)。

第二十一頁，共27頁。45電平轉(zhuǎn)換方法介紹(4)

超限輸入降壓法

(5V→3.3V,

3.3V→1.8V,

...)

凡是允許輸入電平超過電源的邏輯器件，都可以用作降低電平。

這里的“超限”是指超過電源，許多較古老的器件都不允許輸入電壓超過電源，但越來越多的新器件取消了這個限制

(改變了輸入級保護(hù)電路)。

例如，74AHC/VHC

系列芯片，其

datasheets

明確注明“輸入電壓范圍為0~5.5V”，如果采用

3.3V

供電，就可以實現(xiàn)

5V→3.3V

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，最好用前兩個方案。

第二十二頁，共27頁。45電平轉(zhuǎn)換方法介紹(6)

電阻分壓法

最簡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

如果嫌上面的兩個電阻太多，有時還可以只串聯(lián)一個限流電阻。某些芯片雖然原則上不允許輸入電平超過電源，但只要串聯(lián)一個限流電阻，保證輸入保護(hù)電流不超過極限(如

74HC

系列為

20