1、數字隔離技術與電平轉換Digital Isolation Technology and Electrical Level Shift講授人： 江文亮 0803120100242014.20.27 主要內容數字隔離技術概述數字隔離技術分類數字隔離實例4123測試與結果4 5電平轉換技術電平標準介紹一、數字隔離技術概述數字隔離技術概述4 5 數字隔離技術常用于工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣的場合。數字隔離電路主要用于數字信號和開關量信號的傳輸。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）：設備或者系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。二、數字隔離技術分類數字隔離技術概述數字隔離電路主要分為（按生產工藝、電氣結構和傳輸原理劃分）： 光電隔離器（光耦） 電感式隔離器（磁耦，數字隔離器） 電容隔離器（數字隔離器）測試與結果4 5電平轉換技術光耦數字隔離技術概述數字隔離技術分類測試與結果4 5小結電平轉換技術TLP521：低速光耦，最大傳輸速率約200KHZ。采用砷化鎵發光二極管發出紅外光，當光敏二極管受到光線照射時導通，否則斷開。數字隔離技術概述數字隔離技術分類4 56N136/6N137:高速光耦，6N136

3、最大傳輸速率1MHZ,6N137最大傳輸速率10MHZ數字隔離技術概述4 5 光耦是一種傳統隔離器，在各個領域有著廣泛的運用，也是傳統數字隔離的唯一合理選擇。但是隨著對數字隔離技術需求的發展，光耦的局限性逐漸顯露：功耗極高（相比其他隔離技術），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。電感式隔離器測試與結果4 5小結電平轉換技術SI844X數字隔離技術概述4 54 5ICOUPLERICOUPLER專利技術專利技術數字隔離技術概述4 5優點：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，發送刷

4、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，就產生兩個連續的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產生單個短脈沖刷新。這對于上電狀態和具有低數據速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端采用了一個監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。數字隔離技術概述4 5電容式隔離器4 5電容式隔離器數字隔離技術概述4 5電容式隔離器 采用差分信號傳輸的優點是可以抑制接收器的共模噪聲。共模抑制與耦合介質（對噪聲呈現高阻，對高頻信號呈現低阻）共同實現了瞬態干擾能力 通過電路分析可以得知，100KHZ以下的噪聲將會被濾

5、除，這是采用高頻信號經電容隔離傳輸的好處。 具有很強的抗電磁干擾能力（依靠電場的變化進行傳播）和瞬變電壓的能力。 電容式隔離器在體積、能量轉換和抗磁場干擾方面體現出很強的優勢。數字隔離技術概述4 5各類數字隔離器件對比數字隔離技術概述4 5數字隔離的實際應用4 5電平標準介紹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

6、準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電路則不能直接驅動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電路就不能檢測到高電平，低電平小于0.4V滿足要求，所以在TTL電路驅動COMS電路時需要加上拉電阻2) 3.3VCMOS可以直接驅動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該是以下幾種：74LS，74HC，74HCT這三種，這三種系列在電平方面的區別如下：

7、74LS：TTL電平，74HC：COMS電平，74HCT：TTL電平和COMS電平4 5電平標準介紹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，頻率越高，芯片集越熱，這是正常現象。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開路，接到地或者電源上。4）COMS電路的鎖定效應： COMS電路由于輸入太大的電流，內部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大

8、。這種效應就是鎖定效應。當產生鎖定效應時，COMS的內部電流能達到40mA以上，很容易燒毀芯片。4 5電平標準介紹 在設計高速數字系統時，傳統電平標準已經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，用到三種電平標準：PECL（Positive Emitter-Coupled Logic）、LVDS（Low-Voltage Differential Signals）、CML（Current Mode Logic）4 5電平標準介紹PECLVCC可以是3.3V或5V4 5電平轉換方法介紹(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

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。廉價的選擇如74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/.)系列(那個字母T就表示TTL兼容)。4 5電平轉換方法介紹(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，就可以實現5V3.3V電平轉換。(5)專用電平轉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。4 5電平轉換方法介紹(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，有時還可以只串聯一個限流電阻。某些芯片雖然原則上不允許輸入電平