一种集成磁隔离芯片的高频传输电路的制作方法

1.本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种集成磁隔离芯片的高频传输电路。


背景技术：

2.隔离器的作用是在医疗、通信、工业总线控制等场合中将电路系统中各具独立功能的电路模块隔离开来，避免了各功能模块之间的相互影响，保护敏感电路不受危险电压和电流的损坏。在图2、图3和图4中显示了两个地，即gnd和gnd2，gnd1和gnd2可以处于不同电势。
3.长期以来大量使用的电路隔离器件是光耦器件，但是光耦器件寿命短、数据传输速率低、性能不稳定、体积过大，其缺点非常明显。近十年来出现的一种新的隔离方式是使用片上集成变压器作为隔离器件进行隔离，也就是磁耦隔离。片上集成变压器加工在硅片上，变压器的原端线圈与副端线圈之间有一层隔离材料，从而起到隔离作用。磁耦隔离利用电磁感应定律，通过两个线圈之间的变化磁场实现了在隔离层上的数据通信。磁耦隔离具有寿命长、数据传输速率高、性能稳定、体积小等优点。图1(a)是该类芯片架构的示意图，图中die1、die2和die3分别为编码器芯片、解码器芯片和硅基变压器芯片，die1和die2使用常规的cmos工艺设计，die3使用的是自主研发的制造工艺。die1、die2和die3这三块裸片集成在一个封装里面，它们之间通过封装线进行连接。由于集成磁耦隔离器件体积小，线圈电感量小，变压器的原端线圈与副端线圈在高频段的耦合系数更高，更利于传输信号，所以一般要对输入的低频方波信号进行编码，对其频率进行提升，以利于其通过变压器进行传输。一种常用的提升频率的方法就是对输入的方波信号进行边缘检测，把方波信号的上升沿和下降沿转换为一个持续时间大约为两纳秒的短脉冲，当此脉冲通过变压器后，再把它们恢复为方波的上升沿或下降沿。这种方法有一个问题，就是如何区分上升沿和下降沿的问题。图1(b)为这一编解码过程的流程图。现在主流编解码技术对输入的方波信号进行边缘检测，如图3所示，把方波信号的上升沿和下降沿转换为一个持续时间大约为两纳秒的短脉冲，当此脉冲通过变压器后，再把它们恢复为方波的上升沿或下降沿。该方法存在以下问题：1，由于编码采用两个脉冲，解码采用一个脉冲，电路内部对脉冲进行解码需要一定的时间，因此其不能传输高频信号；2，其共模抑制能力较弱；3，由于采用单双脉冲机制，其需要较大的输出级以驱动变压器，且电路较为复杂，因此，其功耗较高。
4.还存在一种编解码为使用两个变压器分别传输上升沿脉冲和下降沿脉冲的方法，如图2所示，其解决了高频信号的传输问题，但其依旧存在很多缺陷：1，采用两个变压器，芯片面积增加；2，共模抑制能力较弱；3，也需要较大的输出级驱动变压器，因此高频信号传输时功耗很高。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种集成磁隔离芯片的高频传输电路，实现高共模抑制，低功耗，低传输延迟，高信号传输速率的目的。
6.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
7.本方案提供一种集成磁隔离芯片的高频传输电路，包括编码电路、位于隔离片上的变压器以及解码电路；
8.所述编码电路，用于对高电平和低电平进行编码，并将编码的差分高频正弦信号传输至变压器；
9.所述变压器，用于利用变压器源端的两个端口将差分高频正弦信号传输至变压器副端的两个端口，感生两个差分高频正弦信号，并将所述两个差分高频正弦信号传输至解码电路；
10.所述解码电路，用于通过电阻和电容的串联组合将所述两个差分高频正弦信号进行整形滤波处理，并通过差分运放器将整形滤波处理后的差分高频正弦信号进行放大解码。
11.本发明的有益效果是：本发明针对目前磁耦隔离技术速度低、功耗高、共模瞬态抑制较低、高传输延时，提出一种简单易行的编解码方案用于区分输入方波信号高电平和低电平，不再针对上升沿和下降沿进行编码，采用高电平产生振荡信号，低电平振荡器截止，输入低电位，实现高共模抑制，低功耗，低传输延迟，高信号传输速率的目的。
12.进一步地，所述编码电路包括pmos场效应管m1、pmos场效应管m2、pmos场效应管m3、nmos场效应管mn4以及nmos场效应管mn5；
13.所述pmos场效应管m1的源极连接电源，所述pmos场效应管m1的漏极分别与所述pmos场效应管m2的源极以及pmos场效应管m3的源极连接，所述pmos场效应管m2的栅极与所述pmos场效应管m3的漏极连接，所述pmos场效应管m3的栅极与所述pmos场效应管m2的源极连接，所述pmos场效应管m3的漏极与所述nmos场效应管mn4的漏极短连，所述pmos场效应管m2的的漏极与所述nmos场效应管mn5的漏极短连，所述nmos场效应管mn4的栅极与所述nmos场效应管mn5的漏极连接，所述nmos场效应管mn5的栅极与所述nmos场效应管mn4的漏极连接，所述nmos场效应管mn4的源极接地，所述nmos场效应管mn5的源极接地，所述pmos场效应管m2的漏极、所述pmos场效应管m3的漏极以及nmos场效应管mn5的漏端均与变压器源端的一端连接，所述nmos场效应管mn5的漏端与变压器源端的另一端连接。
14.上述进一步方案的有益效果是：本发明中编码电路不再采用边缘检测上升下降沿，对上升沿下降沿进行传输编解码，采用直接对高电平和低电平进行编码，高电平输入通过编码器产生一段变压器可以传输的差分高频正弦信号。
15.再进一步地，所述pmos场效应管m1、pmos场效应管m2以及pmos场效应管m3均接最高电位；所述nmos场效应管mn4和nmos场效应管mn5均接最低电位。
16.上述进一步方案的有益效果是：本发明采用全新的编解码方式，采用高电平产生振荡信号，低电平振荡器截止，输入低电位。
17.再进一步地，所述pmos场效应管m1的寄生电容、pmos场效应管m2的寄生电容、pmos场效应管m3的寄生电容、nmos场效应管mn4的寄生电容、nmos场效应管mn5的寄生电容以及变压器自带的电感形成互补型振荡器。
18.上述进一步方案的有益效果是：通过振荡器振荡产生差分信号，振荡器采用互补交叉耦合振荡电路，不需要驱动变压器，因此其高频功耗较低；其振荡器频率很高，因此传输速率很高且脉宽失真很小，同时采用互补型振荡器，可以极大的提高振荡器频率，以达到
传输高频信号要求。且不需要驱动变压器，所以其功耗得到很大的降低。
19.再进一步地，所述解码电路包括电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2以及差分运放器；
20.所述电阻r1的一端分别与差分运放器的同相输入端以及变压器副源的一端连接，所述电阻r1的另一端与电容c1的一端连接，所述电容c1的另一端接地，所述电阻r2的一端分别与差分运放器的反相输入端以及变压器副源的另一端连接，所述电阻r2的另一端与电容c2的一端连接，所述电容c2的另一端接地，所述差分运放器的输出端为所述解码电路的输出端。
21.上述进一步方案的有益效果是：解码器电路主要提供解码，当差分信号传输过来时，通过两个电阻和电容将变压器传输波形进行整形，并过滤掉由于变压器振荡产生的错误波形，通过差分放大器，将变压器输入波形进行放大整形。
附图说明
22.图1为电路隔离器的芯片架构以及数据传输流程示意图。
23.图2为正向单脉冲的双变压器编解码结构示意图。
24.图3为双
‑
单脉冲编解码结构示意图。
25.图4为长
‑
短脉冲编解码结构示意图。
26.图5为本发明的结构示意图。
27.图6为本发明的电路原理图。
具体实施方式
28.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
29.实施例
30.磁隔离主要依靠变压器将信号进行隔离传输。传统的隔离器采用将输入信号进行编码，上升沿双脉冲，下降沿单脉冲或者其他针对上升沿下降沿的编解码方式，如图1所示。该编码方式可以准确的传输数据，但由于自身单双脉冲宽度，及内部解码电路，导致其传输数据受限，目前已知最大传输为120mbps。由于传输信号需要驱动变压器，因此其单双脉冲驱动变压器需要较大电流，因此其功耗较大。由于仅仅依靠变压器进行隔离和传输信号，因此对信号的共模瞬态抑制能力较低。本发明采用全新的编解码方式，不再针对上升沿和下降沿进行编码，采用高电平产生振荡信号，低电平振荡器截止，输入低电位。因此，可以传输高频信号。突破当前隔离器传输速率。理论计算可以到200mhz以上。
31.如图5所示，本发明提供了一种集成磁隔离芯片的高频传输电路，包括编码电路、位于隔离片上的变压器以及解码电路；编码电路，用于对高电平和低电平进行编码，并将编码的差分高频正弦信号传输至变压器；变压器，用于利用变压器源端的两个端口将差分高频正弦信号传输至变压器副端的两个端口，感生两个差分高频正弦信号，并将所述两个差分高频正弦信号传输至解码电路；解码电路，用于通过电阻和电容的串联组合将所述两个差分高频正弦信号进行整形滤波处理，并通过差分运放器将整形滤波处理后的差分高频正
弦信号进行放大解码。
32.本实施例中，本发明采用全新的编解码方式，不再针对上升沿和下降沿进行编码，采用高电平产生振荡信号，低电平振荡器截止，输入低电位。因此，可以传输高频信号。突破当前隔离器传输速率。理论计算可以到200mhz以上。如图五所示，其整体架构和普通数字隔离一致，采用编码电路，隔离片上变压器，解码电路构成。编码电路不再采用边缘检测上升下降沿，对上升沿下降沿进行传输编解码，采用直接对高电平和低电平进行编码，高电平输入通过编码器产生一段变压器可以传输的差分高频正弦信号；变压器也为通过改进之后的变压器，其源端两个端口可以传输两个差分信号到副端感生出两个差分的高频正弦信号；解码电路收到变压器传输过来高频正弦信号，通过电阻与电容的串联组合将信号进行整形滤波，通过差分运放电路将信号进行放大解码。
33.如图6所示，编码电路包括pmos场效应管m1、pmos场效应管m2、pmos场效应管m3、nmos场效应管mn4以及nmos场效应管mn5；pmos场效应管m1的源极连接电源，所述pmos场效应管m1的漏极分别与所述pmos场效应管m2的源极以及pmos场效应管m3的源极连接，所述pmos场效应管m2的栅极与所述pmos场效应管m3的漏极连接，所述pmos场效应管m3的栅极与所述pmos场效应管m2的源极连接，所述pmos场效应管m3的漏极与所述nmos场效应管mn4的漏极短连，所述pmos场效应管m2的的漏极与所述nmos场效应管mn5的漏极短连，所述nmos场效应管mn4的栅极与所述nmos场效应管mn5的漏极连接，所述nmos场效应管mn5的栅极与所述nmos场效应管mn4的漏极连接，所述nmos场效应管mn4的源极接地，所述nmos场效应管mn5的源极接地，所述pmos场效应管m2的漏极、所述pmos场效应管m3的漏极以及nmos场效应管mn5的漏端均与变压器源端的一端连接，所述nmos场效应管mn5的漏端与变压器源端的另一端连接。pmos场效应管m1、pmos场效应管m2以及pmos场效应管m3均接最高电位；所述nmos场效应管mn4和nmos场效应管mn5均接最低电位。pmos场效应管m1的寄生电容、pmos场效应管m2的寄生电容、pmos场效应管m3的寄生电容、nmos场效应管mn4的寄生电容、nmos场效应管mn5的寄生电容以及变压器自带的电感形成互补型振荡器。
34.本实施例中，输入信号通过一系列整形滤波之后，进入到控制振荡器的开启关断的m1管，如图6所示，所有pmos衬底均接最高电位，nmos衬底均接最低电位。该振荡器为互补交叉耦合振荡器，通过mos管的寄生电容与变压器所自带的电感，形成lc振荡。x位置和y位置产生差分振荡信号，其频率由m2，m3，m4，m5管寄生电容c及变压器寄生电感l决定。本发明采用互补型振荡器，可以极大的提高振荡器频率，以达到传输高频信号要求。且不需要驱动变压器，所以其功耗得到很大的降低。
35.如图6所示，解码电路包括电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2以及差分运放器；电阻r1的一端分别与差分运放器的同相输入端以及变压器副源的一端连接，所述电阻r1的另一端与电容c1的一端连接，所述电容c1的另一端接地，所述电阻r2的一端分别与差分运放器的反相输入端以及变压器副源的另一端连接，所述电阻r2的另一端与电容c2的一端连接，所述电容c2的另一端接地，所述差分运放器的输出端为所述解码电路的输出端。
36.本实施例中，如图6所示，解码器电路主要提供解码和提高共模瞬态抑制的作用，当差分信号传输过来时，通过两个电阻和电容将变压器传输波形进行整形，并过滤掉由于变压器振荡产生的错误波形，通过差分放大器，将变压器输入波形进行放大整形。差分放大器可以有效地增大共模瞬态抑制，因此，提高了电路的共模瞬态抑制，随后将放大后的波形
进行解码，实现解码功能。当输入低电平时，变压器源端为低电平，不传输信号，因此变压器副端感生出来的电位为低电平，电阻两端为低电平，差分放大器不工作，因此接到mos管的栅极，使得该mos管关断。
37.本实施例中，如图5所示，输入方波信号的高电平被编码为很高频率的脉冲信号，脉冲信号数目由高电平时间长度决定，低电平保持不变；通过变压器后，解码电路把脉冲信号解码为高电平，持续低电平恢复为低电平。理论上高电平宽度大于高频脉冲信号3个周期以上，即可实现低脉宽失真解码。振荡器频率可以设计得比较高，振荡器频率越高，可以传输的最大频率也就越高，而且整个电路的脉宽失真越小。也就是说，当振荡器频率达到1ghz以上时，电路理论可以传输330mhz方波信号，且此时脉宽失真较小。为了兼顾到集成电路加工的工艺偏差以及电压和温度的影响，提高芯片良率，输入信号频率应留有足够安全裕度，因此可以设计达到250mhz以上方波信号传输。仿真中把高频震荡频率设置为1ghz，数据实际传输速率达200mhz，高于市场上现有产品。该方案所提出的电路可以使用0.13微米集成电路制造工艺实现。
38.本发明通过以上设计，通过采用直接针对信号高电平和低电平进行编码，将编码的差分信号通过变压器进行传输，最后通过解码电路实现最终信号的传输，该电路简单，信号通路较短，因此其传输延时低；差分传输信号，因此其共模抑制很高；通过振荡器振荡产生差分信号，振荡器采用互补交叉耦合振荡电路，不需要驱动变压器，因此其高频功耗较低；其振荡器频率很高，因此传输速率很高且脉宽失真很小。