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设计用于承受严酷工业环境的隔离电路是本白皮书的重点。工业电子设备通常使用电流隔离器保护系统和用户免受潜在危险电压的影响。众所周知，工业设备必须在最恶劣的环境中可靠运行，在这种环境中，强电磁场、浪涌、快速瞬变和高噪声地板是常态。这种环境对设计可靠的隔离电路提出了挑战，这些电路可在较长的设备寿命内实现无错误操作。
在过去的四年里，光耦合器一直是“默认”信号隔离设备，但最近硅隔离技术的突破催生了更小、更快、更可靠和更具成本效益的解决方案，这些解决方案已经开始在许多终端应用中取代光耦合器。 在目前市场上的竞争硅隔离器中，Silicon Labs CMOS 数字隔离器系列是最先进的，提供一流的时序性能、电磁干扰 (EMI) 和外部场抗扰度、功耗、尺寸和成本。 本白皮书讨论了工业隔离问题以及如何应用 RF 隔离技术来提高系统稳健性和性能。
射频隔离器和光耦合器基础知识
图 1 显示了光耦合器和 CMOS 数字隔离器的顶层框图。 如图 1a 所示，光耦合器是一个混合组件，具有一个发光二极管 (LED)，在正向偏置时发光，亮度与 LED 正向电流成正比。 发射的光穿过光学透明的绝缘膜（或电介质），撞击光电探测器并产生电流，使输出晶体管偏置。 当 LED 正向电流不再流动时，发光停止，输出晶体管关闭。
CMOS 数字隔离器的基本操作类似于光耦合器的基本操作，不同之处在于使用 RF 载波而不是光（图 1b）。 CMOS 数字隔离器由两个相同的半导体管芯组成，它们在标准 IC 封装内连接在一起，形成由差分电容隔离栅隔开的 RF 发送器和接收器。 使用简单的开关键 (OOK) 将数据从输入传输到输出。 当 VIN 为高电平时，发射器会产生一个 RF 载波，该载波穿过隔离屏障传播到接收器。 当检测到足够的带内载波能量时，接收器将 VOUT 置为逻辑 1。 当 VIN 为低电平时，发送器被禁用，并且不存在载波。 因此，接收器没有检测到带内载波能量并将 VOUT 驱动为低电平。
设备结构
虽然CMOS数字隔离器和光耦的基本工作原理相似，但它们的物理实现却截然不同。单通道光耦的X射线视图如图2a所示。光耦的混合结构将LED和输出管芯连接到分裂的引线框架上。这两个管芯由一个物理间隙隔开，该物理间隙包含一个透明绝缘屏蔽，用于降低寄生输入/输出耦合电容。光耦的隔离击穿电压主要由封装塑料模具化合物决定。请注意，光耦合器的成本和复杂性直接随通道数的增加而增加，这使得更高通道数的光耦合器比其单片硅对应物更难实现。
六通道CMOS数字隔离器的去封装视图如图2b所示。标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺技术和标准IC封装贯穿始终。两个模具中的每个模具都包含六个完整的隔离器通道，其中每个通道由发射器、差动隔离栅和接收器电路组成。当两个管芯连接时，每个管芯的电容隔离栅彼此串联，使通道击穿电压加倍以获得更大的安全裕度。
与光耦不同的是，每个CMOS数字隔离器通道占用的芯片面积很小，这使得高性价比、高通道数的隔离器成为可能。此外，单片半导体工艺技术使CMOS隔离技术能够与其他半导体功能和工艺相结合，以创建具有内置隔离的高度集成产品，例如隔离模拟数据转换器和通信收发器。这些集成优势使隔离产品的路线图比光耦更广泛、更全面。
工艺技术
CMOS数字隔离器制造中使用的CMOS工艺技术非常普及，几乎所有主流半导体铸造厂都可以使用。CMOS技术用于数字产品，如微处理器、m6体育制器和静态RAM，以及模拟产品，如图像传感器、模拟数据转换器和集成通信收发器。CMOS以高抗噪性、低静态功耗、高可靠性和经济性而闻名。多年来，CMOS工艺几何尺寸不断缩小，使得新产品功能更强，成本和功耗更低。电子行业对CMOS的学习和生产相结合，远远超过用于光耦的基于砷化镓的技术。
信号通路
CMOS数字隔离器的差分电容隔离信号路径如上图3所示。隔离电容器板制作在顶层，埋入金属层和标准工艺氧化物沉积在电容器下板之间，提供绝缘。有源支持电路，如发射机和接收机，位于同一个管芯上，但远离隔离电容器。信号隔离路径在发射机和接收机之间完全不同，以实现最大共模抑制。如图4所示，接收器的主动差分增益使其仅识别其V+和V-输入信号之间的差异。任何共模电压，如射频干扰或共模瞬变，均出现在V+和V-输入端，并在差分输入端取消，如图4所示。