Высокоскоростные цифровые изоляторы компании Analog Devices

Фирма Analog Devices расширила семейство высокоскоростных цифровых изоляторов на основе запатентованной технологии iCouplerТ ADuM1xxx, выпустив 3-канальные ADuM130x и 4-канальные ADuM140x цифровые изоляторы. В Статье рассмотрены основные параметры и особенности применения цифровых изоляторов компании Analog Devices в сравнении с цифровыми изоляторами других ведущих компаний.

Компания Analog Devices, известная своими высокопроизводительными микросхемами в области обработки сигналов, дополнила семейство iCoupler® многоканальными цифровыми изоляторами. Эти 3- и 4-канальные устройства избавляют от применения многочисленных дополнительных компонентов, позволяя уменьшить размеры изделия, стоимость и потребление мощности. Изоляторы iCoupler® работают в диапазоне температур -40┘+100ºС (-40┘+125ºС ADuM1100UR) и идеально подходят для промышленных приложений, включающих передачу данных с возможностью одновременного преобразования уровней передаваемых сигналов.

Принцип действия и технические характеристики

Одноканальный iCoupler® состоит из двух КМОП-кристаллов в одном корпусе. Входной цифровой сигнал через формирователь-кодер пода╦тся на передающую высокодобротную катушку, расположенную сверху над при╦мной катушкой. Кроме катушки, при╦мник данных содержит декодер-формирователь выходной последовательности данных. Запатентованный алгоритм кодирования-декодирования сигналов гарантирует, что выходной сигнал с высокой точностью повторит входной сигнал без ограничения частоты сигнала в низкочастотной области, вплоть до постоянной составляющей. Вся система кодирования, передачи и восстановления сигналов обеспечивает электрическую прочность изоляции 2500 В действующего (среднеквадратического) значения (СКЗ) напряжения переменного тока. Кроме того, так как электромагнитная энергия полностью ограничивается областью двух катушек трансформатора, несколько каналов iCoupler® могут быть объединены в одном корпусе без интермодуляционных помех.

Таблица 1. Сравнительные характеристики устройств передачи сигналов с гальванической развязкой разных технологий и производителей

Изолятор iCoupler® не требует дополнительных компонентов, кроме обычного фильтрующего конденсатора на шине питания. Изолятор имеет независимое питание передающей и при╦мной частей, тем самым позволяя преобразовывать, при необходимости, уровни сигналов, подавая на одну часть микросхемы, например, питание 3,3 В, а на другую - 5 В. Технические характеристики цифровых изоляторов iCoupler® приведены в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики цифровых изоляторов iCoupler®

*) конфигурация каналов указывает направление каналов. Например, 2/1 указывает, что 2 канала передают сигнал в одном направлении и 1 канал - во встречном направлении.

**) цены ООО ╚ЭЛТЕХ╩ - официального дистрибьютора Analog Devices Incorporation.

ADuM1100 использовался в изделиях PROFIBUS фирмы Siemens и получил высокую оценку специалистов фирмы. "Технология iCoupler® укрепляет позиции технического и технологического лидерства наших изделий PROFIBUS, - сказал Гентер Бок, директор отдела устройств ввода/вывода и драйверов фирмы Siemens. - Спроектированные, как полностью совместимые по выводам с существующими оптопарами, изделия iCoupler® легко встраиваются в наши текущие разработки. Кроме того, преимущества интеграции этой новой технологии дают нам возможность уменьшить размер, стоимость и потребляемую мощность современных изделий PROFIBUS".

Сравнительные характеристики ADuM1100, оптопар фирмы Agilent Technologies и цифрового изолятора фирмы NVE corporation приведены в табл. 1.

Результаты сравнительных испытаний ADuM1100 и IL710/HCPL-0900 (IL716/HCPL-901J)

Конкурентом технологии iCoupler® фирмы Analog Devices является технология IsoLoop® компании NVE Сorporation, основанная на магниторезистивном эффекте (GMR). IsoLoop® технологию применяет также Agilent Technologies. Данная технология превосходит технологию электро-оптического преобразования, поэтому будем сравнивать изделия, выполненные по этой технологии с iCoupler®. Две эти технологии основываются на передаче магнитного поля через изолирующий барьер (рис. 1), но из-за особенностей технологии IsoLoop® изоляторы имеют проблемы при передаче сигналов в моменты подачи питания, в условиях импульсных помех и при передаче медленно изменяющихся сигналов (табл. 3 и 4).

Рисунок 1. Структурная схема технологий iCoupler® и IsoLoop®

Таблица 3. Сравнение технологий iCoupler® и IsoLoop®

Таблица 4. Основные параметры ADuM1100 (iCoupler®) и IL710/HCPL-0900 (IsoLoop®)

Были произведены сравнительные испытания ADuM1100 (ADI), IL710 (NVE) (HCPL-0900(Agilent)) и IL716 (NVE) (HCPL-901J(Agilent)). В результате испытаний были выявлены случаи некорректной работы микросхем Agilent/NVE. Некорректность работы заключалась в передаче на выходной вывод IsoLoop® изолятора сигнала с отличным от входного сигнала логическим уровнем или многократными переходами выходного сигнала с одного логического уровня на другой. Изолятор IsoLoop® переходил в так называемый генераторный режим, "дребезг" на выходе. Эти ситуации происходили при включении питания, наличии входного импульсного шума или большой длительности фронтов импульсов. Далее рассматривается, в основном, одноканальный вариант IsoLoop® (IL710), аналогичные проблемы наблюдались и в 4-канальном IsoLoop® (IL716). Влияние любого из выявленных недостатков сильно зависят от конкретного технического решения и должно оцениваться разработчиком. За исключением проблем при включении питания, остальные случаи не подтверждаются NVE/Agilent в технических описаниях (data sheets) на ИМС.

Главное различие между iCoupler® и IsoLoop® - возможность правильной передачи не изменяющегося логического уровня сигнала. Это имеет отношение к способности изолятора выдавать на выходе сигнал с правильным логическим уровнем, когда на вход пода╦тся постоянно входной сигнал одного логического уровня. iCoupler® включает цепь формирователь-кодер, которая гарантирует правильное выходное состояние при отсутствии изменяющегося входного сигнала. IsoLoop® не имеет аналогичного узла формирования входного сигнала и, следовательно, не может правильно выставить выходной уровень сигнала в зависимости от входного уровня в этом случае.

Действительно, технические описания Agilent/NVE указывают, что изоляторы IsoLoop® имеют данный недостаток, - "неоднозначное выходное состояние при включении, выключении и падении напряжения питания". При проверке на образцы ADI ADuM1100 и NVE IL710 (Agilent HCPL-0900), при включении питания, на входной вывод подавался низкий уровень входного сигнала, как показано ниже. В этом эксперименте на выходные каскады изоляторов питание было подано заранее (VDD2 = 5 В), осциллограммы приведены для момента подачи питания на входные части микросхем VDD1. До подачи питания на входной каскад изоляторов выходы обоих изоляторов были в состоянии логической 1. По мере того, как нарастало питание, выход ADuM1100 принял правильное логическое низкое состояние, при этом выход IL710 оставался в неправильном выходном состоянии, несмотря на присутствие напряжения питания на входной части микросхемы. Рис. 2 иллюстрирует проведение испытаний iCoupler® и IsoLoop® при подаче питания.

Рисунок 2. Состояния выводов при включении питания ADuM1100 и IL710: 1 - осциллограмма подачи питания на VDD1; 2 - вход, логический "0"; 3 - выход

Второй эксперимент заключался в подаче на вход импульсного шумового сигнала. Как для iCoupler®, так и для IsoLoop® по техническим описаниям определена минимальная длительность импульса 10 нс. Длительности шумовых импульсов были взяты меньше, чем требуемая по техническим параметрам ширина импульсов, чтобы определить, как поведут себя два типа изоляторов. Оба изолятора имеют область некорректной работы, находящейся на границе их полосы пропускания. Благодаря входным цепям (формирователю-кодеру), ADuM1100 исправляет ошибочное выходное состояние на корректное, IL710 (HCPL-0900) не имеет таких функциональных узлов, поэтому оста╦тся в некорректном состоянии (рис. 3).

Рисунок 3. Состояния выводов ADuM1100 и IL716 при воздействии импульсной помехи ~8 нс: 2 - вход, логический "0" с шумовым воздействием; 3 - выход

Дополнительный эксперимент был провед╦н с 4-канальной версией IL710 - IL716 (HCPL-901J). Ниже приведены осциллограммы сравнения выходных сигналов ADuM1100 и IL716, подвергшихся шумовому воздействию импульсами длительностью около 2,7 нс. В этом случае, ADuM1100 не реагирует на помеху и сохраняет правильное выходное значение сигнала. IL716 среагировал на импульс шума, переш╦л в неустойчивое положение и оставался в н╦м, пока на вход не был подан сигнал другого логического уровня, требуемой длительностью более 10 нс (рис. 4).

Рисунок 4. Состояния выводов ADuM1100 и IL716 при воздействии импульсной помехи ~2,7 нс: 2 - вход, логический "0" с шумовым воздействием; 3 - выход

Следующая область, в которой у IsoLoop® изоляторов наблюдались трудности, была связана с медленным нарастанием фронта импульса. iCoupler® корректно работает с длительностями фронтов импульсов до 1 мс, как указано в техническом описании. Техническое описание на IsoLoop® указывает на длительность до 1 мкс. Эксперименты, произвед╦нные с IL716 (HCPL-901J), показали, что даже с длительностями фронтов менее 1 мкс IL716 (HCPL-901J) работал некорректно: импульсы на выходе, неправильное значение выходного сигнала, генерация на выходе. Это свидетельствует о слабой помехозащищ╦нности входа. Ниже приведены осциллограммы сравнения ADuM1100 и IL716 с длительностями фронтов импульса 100 и 500 нс (рис. 5 и 6).

Рисунок 5. Состояния выводов ADuM1100 и IL716 при длительности фронта входного импульса 100 нс

Рисунок 6. Состояния выводов ADuM1100 и IL716 при длительности фронта входного импульса 500 нс: 2 - вход; 3 - выход

И последнее, оказалось, что IsoLoop® изоляторы имеют большие переходные процессы на выходе. Ниже приведены осциллограммы сравнения выходных характеристик ADuM1100 и IL710 (HCPL-0900). Чрезмерные по уровню затухающие колебания на выходе IL710 имеют величину, превышающую установленные требования к электромагнитной совместимости (рис. 7).

Рисунок 7. Входной и выходной сигналы на ADuM1100 и IL716: 2 - вход; 3 - выход

Заключение

Идеальный цифровой изолятор обеспечивает определ╦нный, правильный выходной сигнал не только при благоприятных условиях, описанных в спецификации, но также и при реальных условиях, которые включают момент подачи питания, входной шум и большой диапазон скоростей передачи сигналов. Разработчику будет полезно рассмотреть влияние различных факторов на работу микросхем при выборе метода гальванической развязки (табл. 5).

Таблица 5. Влияние различных факторов на работу микросхем при выборе метода гальванической развязки

Таким образом, цифровые изоляторы iCoupler фирмы Analog Devices значительно лучшие подходят для работы в условиях воздействий различных дестабилизирующих факторов, чем цифровые изоляторы фирм NVE и Agilent Technologies.

Все эксперименты выполнялись инженерами компании Analog Devices при соблюдении требований документаций на рассматриваемые в данной статье микросхемы. Использовались ИМС: Analog Devices ADuM1100BR (datacode 0251), NVE IL710 (datacode 024116) и NVE IL716 (datacode 025127).

Литература

1. Analog Devices, Data Sheets: ADuM1100 (Rev. D, 2003), ADuM1300/1301 (Rev. PrL, May 9, 2003), ADuM1400/1401/1402 (Rev. PrL, May 9, 2003).
2. NVE, Data Sheets: IL710, IL716.