【技术】基于CMOS工艺的数字隔离器替换光耦的技术优势

时间： 2021-07-15 来源：荣湃半导体

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光耦合器(以下简称光耦)用于信号隔离传输已有50年左右的历史，但是在一些时序特性、速率和可靠性要求非常高的场合，光耦的性能难以满足。基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制成的荣湃数字隔离器，在时序性能、隔离电压和可靠性等方面均优于光耦。

物理结构性能对比

如图1a所示，光耦隔离传输信号的原理是，当LED发光时，通过透明绝缘层（有机聚合物）后，由感光三级管接收信号，这样传递一种电平状态。但是光耦合器采用砷化镓（GaAs）工艺制造，该工艺随环境温度的变化，性能参数不稳定。采用有机聚合物作为绝缘介质，介质内容易产生空洞等缺陷，在高压应力下损耗严重，寿命较短。

图1a 光耦物理结构示意图

图1b 荣湃数字隔离器结构示意图

如图1b所示，荣湃数字隔离器信号隔离传输的原理是，当检测到输入端口信号为高电平时，经过芯片内部抗干扰的差分电路处理后，信号由串联的高压隔离电容与寄生电容分压，再经过锁存放大电路传输到输出端口。荣湃数字隔离器采用的CMOS工艺是高性能、高可靠性和低成本的工艺技术，同时采用的隔离介质SiO2是稳定性非常高、介电强度性能非常好的介质材料。

荣湃数字隔离器与光耦物理结构性能对比如表1所示，荣湃数字隔离器在制成工艺、介质材料和信号处理方面均优于光耦。

表1 物理结构性能对比表

时序性能对比

时序特性是隔离产品非常重要的性能之一，主要包括：上升下降时间，传输延时，脉宽失真，通道之间的匹配，器件之间的匹配等。当隔离产品上升下降沿越快，传输延时越短，脉宽失真越小，则数字波形越规整，可以提供更高的传输速率和通信可靠性。通道之间的匹配和器件之间的匹配则反应出同一器件通道间和不同器件间时序特性的一致性。

常温下荣湃数字隔离器与光耦时序性能对比

如图3a和图3b所示，对比了常用标称10Mbps通讯速率的高速光耦6N137和π163M61常温下时序特性，图中黄色波形为输入信号，绿色波形为对应的输出信号。从波形上可以读取的信息如表2所示，荣湃数字隔离器π163M61相比高速光耦6N137上升下降沿更快，传播延时更短，脉宽失真更小，因此，常温下时序特性更好。

表2 时序特性对比表

图3a 高速光耦6N137测试波形图

图3b 数字隔离器π163M61测试波形图

荣湃数字隔离器与光耦时序性能对温度变化敏感性对比

图4a和图4b分别摘自高速光耦6N137和荣湃数字隔离器π163M61的规格书。从图中可以看出，光耦的传播延时不仅与温度相关还和上拉电阻相关。光耦在温度变化范围（-40℃至85℃）内，传播延时变化15ns以上。而荣湃数字隔离器在温度变化范围（25℃至125℃）内，传播延时变化3ns以内。因此，光耦时序性能对温度变化更敏感，使用过程中性能更不可控。

图4a 高速光耦6N137延时与温度关系

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