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一种基于OOK调制的电容型数字隔离器

廖坤 杨君中 鞠玲 杨森 肖知明

廖坤, 杨君中, 鞠玲, 杨森, 肖知明. 一种基于OOK调制的电容型数字隔离器[J]. 微电子学与计算机, 2022, 39(9): 125-132. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0113
引用本文: 廖坤, 杨君中, 鞠玲, 杨森, 肖知明. 一种基于OOK调制的电容型数字隔离器[J]. 微电子学与计算机, 2022, 39(9): 125-132. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0113
LIAO Kun, YANG Junzhong, JU Ling, YANG Sen, XIAO Zhiming. Implementation of a capacitive digital isolator based on OOK modulation[J]. Microelectronics & Computer, 2022, 39(9): 125-132. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0113
Citation: LIAO Kun, YANG Junzhong, JU Ling, YANG Sen, XIAO Zhiming. Implementation of a capacitive digital isolator based on OOK modulation[J]. Microelectronics & Computer, 2022, 39(9): 125-132. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0113

一种基于OOK调制的电容型数字隔离器

doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0113
基金项目: 

国家电网有限公司总部科技项目 5700-202155257A-0-0-00

详细信息
    作者简介:

    廖坤  男,(1997-),硕士研究生.研究方向为低功耗低噪声神经信号放大器、数字隔离器

    杨君中  男,(1974-),硕士研究生.研究方向为电力信息通信

    鞠玲  女,(1986-),硕士研究生.研究方向为智能电网

    杨森  男,(1992-),硕士研究生.研究方向为电力信息通信

    通讯作者:

    肖知明(通讯作者)  男,(1983-),博士,研究员.研究方向为低功耗模拟电路设计和高效率电源管理芯片设计. E-mail: xzm@nankai.edu.cn

  • 中图分类号: TN433

Implementation of a capacitive digital isolator based on OOK modulation

  • 摘要:

    针对高速电容型数字隔离器在"低速"应用下的高电流消耗问题,基于TSMC 180nm BCD工艺设计了一种基于OOK调制的低静态功耗全差分数字隔离器结构.通过发送机的逻辑控制电路产生的三组开关信号及振荡器模块产生的载波信号,提出的结构实现了对输入信号的调制.在传输信号频率变化时,基于跨导线性环结构的中点电位偏置电路将差分信号的直流电压均稳定在VDD/2附近,从而有效避免接收端直流电平衰减造成的误码.经由前置放大器放大后,接收端信号通过双阈值比较器完成解调.PVT仿真表明,在输入电源电压3~5.5V范围内,均可实现最高10Mbps传输速率,典型传输延时为13ns;典型情况下静态功耗仅为1.3mA,在1Mbps及10Mbps速率下的典型动态功耗分别为4mA及4.8mA.此设计支持多通道扩展,可通过共享内部振荡器及偏置模块进一步减小单通道平均功耗;此外隔离器在最高10Mbps输入PRBS(Pseudo-Random Binary Sequence)码下仍可准确解码,证明了此结构具有较强的传输鲁棒性.

     

  • 图 1  电容型数字隔离器结构

    Figure 1.  Capacitive digital isolator structure

    图 2  OOK调制电路结构框图

    Figure 2.  OOK modulation circuit structure block diagram

    图 3  发送机晶体管级电路

    Figure 3.  The transistor-level circuits of transmitter

    图 4  不同输入情况下下传输门及开关管工作状态

    Figure 4.  Transmission gate and switching tube operating status under different input signals

    图 5  无中点电位电路时接收端信号仿真波形

    Figure 5.  The signal simulation waveform of receiving side (w/o midpoint potential bias circuit)

    图 6  应用中点电位电路后接收端信号仿真波形

    Figure 6.  The signal simulation waveform of receiving side (with midpoint potential bias circuit)

    图 7  接收机电路

    Figure 7.  Thereceiver circuit

    图 8  双阈值比较器仿真波形

    Figure 8.  The simulation waveform of dual threshold comparator

    图 9  10 Mbps PRBS码输入仿真结果

    Figure 9.  The simulation result with 10 Mbps PRBS input

    图 10  传输延时仿真结果

    Figure 10.  The simulation result of transmission delay

    表  1  开关信号真值表

    Table  1.   The truth table of switching signal

    D O V1 V2 V3 V4 V5 V6
    0 0 1 0 1 0 0 1
    0 1 1 0 1 0 0 1
    1 0 0 1 0 0 1 1
    1 1 0 1 1 1 0 0
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    表  2  该设计与类似论文指标对比表格

    Table  2.   The comparison betweenother similar papers and this work

    文献 文献[10] 文献[11] 文献[12] 文献[13] 本文工作
    工艺 5V Standard CMOS 0.5μm CMOS 1.8/5V 180nm CMOS Standard 180nm CMOS TSMC 180nm BCD
    调制模式 脉冲调制 OOK调制 OOK调制 OOK调制 OOK调制
    隔离材料 变压器 变压器 变压器 电容 电容
    电源电压 3.3~5 V 1.8~3.3 V 1.7~5.5 V 2.25~5 V 3~5.5 V
    最高传输速率 250 Mbps 640 Mbps / 200 Mbps 10 Mbps
    传输延时 5.5 ns 7 ns 11 ns 6 ns 13 ns
    单通道静态电流 1.6 mA / / / 1.3 mA
    单通道电流@3.3V, 1Mbps, 15pF负载 1.7 mA 0.1 mA 2.8 mA 1.6 mA 4 mA
    下载: 导出CSV
  • [1] RAGONESE E, PALMISANO G, PARISI A, et al. Highly integrated galvanically isolated systems for data/power transfer[C]//Proceedings of the 2019 26th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems. Genoa, Italy: IEEE, 2019: 518-521. DOI: 10.1109/ICECS46596.2019.8965151.
    [2] ICE C. 电气隔离在电动汽车中的应用[J]. 电子产品世界, 2020, 28(12): 16-17. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZCS202012014.htm

    ICE C. The application of galvanic isolation in electric vehicles[J]. Electronic Engineering & Product World, 2020, 28(12): 16-17. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZCS202012014.htm
    [3] ALTOOBAJI I, ALI M, HASSAN A, et al. A high speed fully integrated capacitive digital isolation system in 0.35 μm CMOS for industrial sensor interfaces[C]//Proceedings of the 2021 19th IEEE International New Circuits and Systems Conference. Toulon, France: IEEE, 2021: 1-4. DOI: 10.1109/NEWCAS50681.2021.9462788.
    [4] CHEN L, SANKMAN J, MUKHOPADHYAY R, et al. 25.1 A 50.7% peak efficiency subharmonic resonant isolated capacitive power transfer system with 62mW output power for low-power industrial sensor interfaces[C]//Proceedings of 2017 IEEE International Solid-State Circuits Conference. San Francisco, CA, USA: IEEE, 2017: 428-429. DOI: 10.1109/ISSCC.2017.7870444.
    [5] KAGAYA T, MIYAZAKI K, TAKAMIYA M, et al. A 500-Mbps digital isolator circuits using counter-pulse immune receiver scheme for power electronics[C]//Proceedings of 2019 International Conference on IC Design and Technology. Suzhou, China: IEEE, 2019: 1-4. DOI: 10.1109/ICICDT.2019.8790941.
    [6] JAVID M, PTACEK K, BURTON R, et al. CMOS bi-directional ultra-wideband galvanically isolated die-to-die communication utilizing a double-isolated transformer[C]//Proceedings of the 2018 IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs. Chicago, IL, USA: IEEE, 2018: 88-91. DOI: 10.1109/ISPSD.2018.8393609.
    [7] TI ISO6721-Q1高性能双路数字隔离器解决方案[J]. 世界电子元器件, 2021(4): 39-41.

    TI ISO6721-Q1 a high performance dual digital isolator solution[J]. Global Electronics, 2021(4): 39-41.
    [8] 苏州纳芯微电子股份有限公司. 纳芯微推出隔离CAN收发器[J]. 现代制造, 2020(15): 52. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZZXD202015034.htm

    NOVOSENSE microelectronics. NOVOSENSE l-auches isolated CAN transceiver[J]. Maschinen Markt, 2020(15): 52. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZZXD202015034.htm
    [9] 德州仪器推出业内首款数字隔离器[J]. 智能城市, 2020, 6(6): 7.

    Texas instruments launches the first digital isolator in the industry[J]. Intelligent City, 2020, 6(6): 7.
    [10] KAERIYAMA S, UCHIDA S, FURUMIYA M, et al. A 2.5 kV isolation 35 kV/us CMR 250 Mbps digital isolator in standard CMOS with a small transformer driving technique[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2012, 47(2): 435-443. DOI: 10.1109/JSSC.2011.2170775.
    [11] MOGHE Y, TERRY A, LUZON D. Monolithic 2.5kV RMS, 1.8V-3.3V dual-channel 640Mbps digital isolator in 0.5μm SOS[C]//Proceedings of 2012 IEEE International SOI Conference. Napa, CA, USA: IEEE, 2012: 1-2. DOI: 10.1109/SOI.2012.6404389.
    [12] YUNR D, SUN J, GAALAAS E, et al. A transformer-based digital isolator with 20kVPK surge capability and > 200kV/μS common mode transient immunity[C]//Proceedings of 2016 IEEE Symposium on VLSI Circuits. Honolulu, HI, USA: IEEE, 2016: 1-2. DOI: 10.1109/VLSIC.2016.7573497.
    [13] SHI G D, YAN R H, XI J X, et al. A compact 6 ns propagation delay 200 Mbps 100kV/μs CMR capacitively coupled direction configurable 4-channel digital isolator in standard CMOS[C]//Proceedings of the 2018 25th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems. Bordeaux, France: IEEE, 2018: 721-724. DOI: 10.1109/ICECS.2018.8617972.
    [14] RAZAVIB. Design of analog CMOS integrated circuits[M]. 2nd ed. McGraw-Hill Education, 2005.
    [15] SANSENW M C. Analog design essentials[M]. New York: Springer, 2006.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-21
  • 修回日期:  2022-03-20
  • 网络出版日期:  2022-09-15

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