用于隔离数据通信的低功率接收器电路的制作方法

1.本申请涉及数据隔离器。


背景技术：

2.隔离器在相互通信的电路之间提供电隔离。在某些情况下，彼此通信的电路以不同的电压工作，例如一个以相对较高的电压工作，另一个以相对较低的电压工作。在某些情况下，电路以不同的接地电位为参考。在这两种情况下，都可以使用隔离器对电路进行电隔离。
3.一些隔离器用于隔离从一个电路发送到另一电路，或从一个电压域发送到另一电压域的数据信号。有些数据隔离器是单端的，有些则是差分的。


技术实现要素：

4.根据一些实施方案，提供低功率差分数据隔离器电路，包括：发射机；隔离器；和差分接收器，包括彼此交叉耦合的第一和第二单端放大器。
5.根据一些实施方案，差分数据隔离器电路，包括：发射机；隔离器；和差分接收器，包括参考时变参考电位的第一单端放大器。
6.根据一些实施方案，提供数据隔离器系统的差分接收器电路，包括：第一信号路径，包括第一单端放大器；和第二信号路径，包括耦合到第一单端放大器的第二单端放大器。
附图说明
7.将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在所有出现的图中均用相同的参考数字表示。
8.图1是根据本申请的非限制性实施例的具有差分接收器的数据隔离器的电路图。
9.图2示出了图1的数据隔离器的实施方式的非限制性示例，其包括差分接收器中的两个交叉耦合的单端放大器。
10.图3更详细地示出了图2的电路的一些组件，示出了图2的电路的单端放大器之一的非限制性示例。
11.图4是根据本申请的非限制性实施例的具有差分接收器的实施例的差分数据隔离器的非限制性示例。
12.图5是根据本申请的非限制性实施例的具有差分接收器的实施例的基于变压器的隔离器。
13.图6示出了图5的电路中的相关节点处的时序波形，该时序波形用于发送/接收数据位“1”，随后发送/接收数据位“0”。
14.图7示出了根据本申请的方面的在数据隔离器的各个过程电压温度(pvt)角处的来自spice仿真的信号/噪声容限。
15.图8是根据本申请的非限制性实施例的具有差分接收器的实施例的基于电容器的隔离器。
16.图9是根据本申请的非限制性实施例的具有差分接收器的实施例的差分数据隔离器。
17.图10示出了在图9的电路中的相关节点处的电压波形，该电压波形用于发送/接收数据位“1”，随后发送/接收数据位“0”。
18.图11示出了根据本申请的非限制性实施例的并入了用于隔离器的低功率接收器电路的便携式电子设备。
具体实施方式
19.根据本申请的一个方面，提供了数据隔离器，其具有差分接收器，在此也称为差分接收器电路，该差分接收器由彼此耦合的单端放大器组成。差分接收器电路的某些实现包括交叉耦合的单端放大器，这意味着两个单端放大器以交叉耦合的方式彼此连接。用于第一单端放大器的参考(或接地)端子可以耦合至第二单端放大器的输入，并且用于第二单端放大器的参考(或接地)端子可以耦合到第一单端放大器的输入。
20.根据本申请的一个方面，提供了数据隔离器，其具有差分接收器电路，该差分接收器电路具有参考时变电势的放大器。与使差分接收器的放大器参考静态电位(例如静态电源和地)不同，差分接收器电路的至少一个放大器参考随时间变化的电位。在一些实施方式中，放大器参考由隔离器接收并输入到差分接收器电路的另一个放大器的信号。当另一个放大器的输入随时间变化时，第一个放大器的参考电位也随之变化。
21.根据本文描述的各个方面的数据隔离器可以表现出有益的特性。例如，数据隔离器可以允许高速操作。就准确性和鲁棒性而言，它们可以提供差分信令的好处。它们还可以在与单端放大器相关联的功率电平下运行，而不是在通常与差分放大器相关联的较高功率电平下运行。因此，本文描述的数据隔离器的至少一些实施例可以提供差分和单端电路配置的优点，包括低功率和高速操作。
22.图1示出了根据本申请的一方面的差分隔离器。差分数据隔离器100包括发送电路102、隔离器104和接收器电路106。接收器电路106是具有交叉耦合的单端放大器的差分接收器。发射电路102可以是用于跨隔离器104发射包括信号103a和103b的差分信号的任何合适的电路。在所示的非限制性示例中，发射电路包括驱动器105a和105b，但是因为本申请的各个方面不限于发射电路的特定类型，替代方案也是可行的。
23.隔离器104可以是各种类型的隔离器之一，包括电容隔离器或变压器隔离器。隔离器104可以桥接隔离屏障107，在一些实施例中，隔离屏障可以由介电材料形成。
24.图2示出了图1的接收器电路106的非限制性示例，示出了两个交叉耦合的单端放大器。数据隔离器200包括具有参考电源vdd1和接地gnd1的驱动器201a和201b以及电容器203a和203b的发送电路202、隔离器204和接收器电路206。作为图1的接收器电路106的示例的接收器电路206包括单端放大器208a和208b。单端放大器208a和208b交叉耦合，并且在隔离器204与输出端子rxout1和rxout0之间的相应信号路径中。单端放大器208a具有输入端子207a，该输入端子被配置为接收来自隔离器204的信号，但还耦合至单端放大器208b的基准或接地端子209b。同样地，单端放大器208b具有输入端子207b，该输入端子被配置为接收
来自隔离器204的信号，但也耦合至单端放大器208a的基准或接地端子209a。如图所示，单端放大器208a和208b也以电源vdd2为参考，并且它们具有各自的输出端子rxout1和rxout0。
25.在操作中，差分输入信号213可以被施加到发射电路202的端子txin1和txin0。驱动器201a和201b驱动信号跨电容器203a和203b，并且隔离器204跨接到接收器电路206。在所示的非限制性示例中，隔离器204是参考接地gnd2的中心抽头变压器，但是替代方案也是可行的。所接收的信号在输入端子207a和207b处输入到单端放大器208a和208b。这些单端放大器的输出信号被限制在vdd2和另一个单端放大器的输入信号之间，从而在输出端子rxout1和rxout0处产生输出信号。所示的交叉耦合配置可确保数据隔离器200的低功耗操作。
26.单端放大器208a和208b可以采用任何合适的形式。图3示出了单端放大器208b的非限制性示例。相同的结构可以用于单端放大器208a。在图3中，单端放大器208b包括反相器210a和210b、阻塞电容器212a和212b以及复位开关214a和214b。反相器210a参考电源vdd2和电容器212b的顶板，电容器212b的顶板在每次数据传输开始时相对于接地gnd2被复位为0伏，并且起到与普通反相器相同的接地作用。当复位被释放时，复位装置214a和214b处于关闭状态。反相器210a的输入端子交流耦合至通过电容器212a输出的隔离器的负极，反相器210a的基准或接地端交流耦合至隔离器通过电容器212b输出的正极。结果，隔离器的整个差分输出信号被完全施加到反相器210a的输入，而不是像传统的接收机那样仅使用隔离器输出的一半，而传统接收器的单端放大器的接地硬连接到gnd2。反相器210b可以是参考vdd2和地的典型反相器。在所示的示例中，反相器210a和210b串联连接或串联连接。重置开关214a和214b用于重置反相器210a的输入。208a的实现方式与208b相同，但是其输入以相反的极性交流耦合到隔离器的输出端子，如图4所示。
27.还可以从图2中看出所示的交叉耦合配置的影响。接收器的负端子(由单端放大器208b表示)交叉耦合至变压器输出的另一个端子，如图2所示，即单端放大器208a的输入端子207a。结果，施加在单端放大器上的信号被加倍为2vr和-2vr，如图所示。与单端接收器仅看到vr和-vr的电压摆幅相比，这意味着信号和噪声裕量增加了一倍，共模抑制比更高，可靠性更高。尽管上面的解释适用于基于变压器的隔离器，但它也适用于其他隔离器，例如电容隔离器。
28.实际上，变压器的输出信号可能不会在输入端子207a和207b上平均分配。相反，这些输出信号可能会略有不同。仍然可以实现信号、噪声容限、共模抑制和可靠性方面的好处。例如，考虑输入端子207a和207b上的信号由参考gnd2的vr1和vr2给出。在这种情况下，在根据本申请的方面的电路中，有用信号是vr1+vr2或
–
(vr1+vr2)。无论哪种方式，有用信号都接近图2所示的2vr的值，并且大于在209a和209b硬连接到gnd2的常规电路中可以实现的vr1或
–
vr2的值。
29.从图2和图3的前述描述中应当理解，本申请的实施例提供了一种数据隔离器，其具有差分接收器，该差分接收器具有以时变电位为参考的交叉耦合的单端放大器。例如，单端放大器208b具有连接到单端放大器208a的时变输入的参考端子209b。在一些实施例中，单端放大器参考虚拟接地，随时间变化的接地或可变接地。
30.图4是具有包括接收器401和402的差分接收器电路的差分数据隔离器400，其组合
表示接收器电路106的非限制性实现。mp1是pmos晶体管，ndw1是深nwell中的nmos晶体管，与电源电压vdd2相连。mp1的源极和后栅极连接到电源电压vdd2。ndw1的源极和后栅极连接在一起。mp1和ndw1的漏极连接在一起，作为接收器doutp的输出。mp1和ndw1的栅极连接到节点g1。mp1和ndw1的配置类似于反相器，但ndw1的源与非接地节点s1相连，而不是像在反相器中通常那样与接地节点相连。电容器c1和c2将节点g1和s1分别交流耦合至隔离器的输出端子b1和b2(例如，耦合至变压器线圈的端子或电容器板)。节点g1和s1通过深nwell中的nmos器件ndw3和ndw4接地，在接收器从隔离器104接收任何信号之前，这些节点将节点g1和s1重置为0v。电路402与电路401相同，但是交换到隔离装置的输出端子b1和b2的连接以检测相反极性的信号。因此，电路402包括晶体管mp2、ndw2、ndw5、ndw6以及电容器c3和c4。节点g2耦合到mp2和ndw2的栅极，并且节点s2耦合到ndw2的源极。复位信号rst用于使晶体管ndw3、ndw4、ndw5和ndw6导通或截止。
31.数据隔离器400还包括具有驱动器405a和405b的发射电路，该驱动器具有输入端子dinp和dinn。
32.图5示出了使用基于变压器的隔离器的数据隔离器400的实施方式。使用图5的数据隔离器500的非限制性示例并且通过考虑图5的电路中的所识别节点处的图6中的电压波形来描述数据隔离器400的操作。具体地，图6示出了在图5中的相关节点处的电压波形，该电压波形用于发送/接收数据位“1”，接着发送/接收数据位“0”。
33.考虑图5和图6，通过将rst从高驱动到低来开始每个事务。在将节点g1、g2、s1和s2重置为0v并将输出节点doutp和doutn重置为逻辑高电平后，nmos晶体管ndw3、ndw4、ndw5和ndw6截止。为了传输逻辑位“1”，dinp从高电平驱动到低电平，同时dinn从低电平驱动到高电平。在t1和t2之间施加正电压脉冲，并在变压器502的输出处产生正电压脉冲，该正电压脉冲由节点b1处的电压减去节点b2处的电压(即，vb1-vb2)给出。节点g1然后耦合到较高的电压，而s1耦合到较低的电压。当g1和s1之间的峰值电压差大于mp1和ndw1形成的虚拟反相器的阈值时，输出doutp变低，并在doutp处产生负脉冲。在接收器的另一侧，g2耦合到较低的电压，s2耦合到较高的电压。因此，在节点doutn处没有变化。doutp处的负脉冲没有doutn处的脉冲被解释为接收数据位“1”。类似地，为了在隔离栅上发送数据位“0”，在t1和t2之间施加负电压脉冲，方法是将dinp从低电平驱动到高电平，将dinn从高电平驱动到低电平。在变压器的输出端会产生一个负电压脉冲。节点g2然后耦合到较高的电压，而s2耦合到较低的电压。当g2和s2之间的峰值电压差大于mp2和ndw2形成的虚拟反相器的阈值时，输出doutn变低并在doutn处产生负脉冲。在接收器的另一侧，g1耦合到较低的电压，而s1耦合到较高的电压。因此，在节点doutp处没有变化。doutn处的负脉冲没有doutp处的脉冲被解释为接收数据位“0”。
34.由于使用变压器的全差分输出来解析数据状态，因此与前面提到的信号端接收器相比，信号的大小和噪声容限增加了一倍，但功耗保持不变；在数据转换期间，不会消耗任何静态功率，而只会消耗动态功率。
35.图7示出了根据本申请的一方面的在差分数据隔离器的各种过程、电压、温度(pvt)角处来自spice仿真的信号/噪声容限。x轴表示时间(以纳秒为单位)，y轴表示电压(以伏特为单位)。在该非限制性示例中，电源电压范围从1.78v调节到1.83v，温度范围从-45℃到135℃。任何高于阈值的信号或噪声幅度都被解释为接收器接收到的数据位。接收器
拒绝任何低于阈值的信号或噪声幅度。图7示出了对于将要丢失的真实数据比特的约516mv噪声容限和对于由噪声引起的错误比特的670mv噪声容限。对于电源电压为1.8v的系统，这些余量可转化为高度耐用的系统。例如，在共模瞬变事件期间，由共模引起的差分信号必须大于噪声容限，以破坏数据。spice仿真显示，例如，本文所述类型的数据隔离器的cmti电平可能比备用电路的cmti电平大2至6倍。
36.图8是具有接收器401和402的基于电容器的数据隔离器800。该隔离器由电容器c5和c6形成，但是除此之外，数据隔离器800与图5的数据隔离器500相同，并且操作类似于基于变压器的隔离器500的操作。
37.图9示出了具有接收器901和902的替代性差分数据隔离器900。接收器901是接收器401的双版本。mp1是pmos晶体管，而ndw1是nmos晶体管。mp1的源极和后栅极与节点s1相连。ndw1的源极和后栅极接地(gnd2)。mp1和ndw1的漏极连接在一起，作为接收器的输出。mp1和ndw1的栅极连接到节点g1。mp1和ndw1的配置就像一个反相器，但是mp1的源极绑定到一个非电源节点s1，而不是普通反相器中的电源电压。电容器c1和c2将节点s1和g1分别交流耦合至隔离器104的输出端子b1和b2。节点g1和s1通过pmos晶体管mp3和mp4耦合到电源电压vdd2，其在接收器接收任何信号之前将节点g1和s1重置为电源电压。复位信号rstb控制mp3和mp4。接收器902与接收器901相同，但是交换了到隔离器104的输出端子b1和b2的连接，以检测相反极性的信号。与接收器401和402不同，接收器901和902中的nmos晶体管ndw1和ndw2不必在深n阱内。
38.图10示出了在图9中的所标识的节点处的电压波形，该电压波形用于发送/接收数据位“1”，随后发送/接收数据位“0”。每笔交易都是通过将rstb从低驱动到高来启动的。在将节点g1、g2、s1和s2设置为vdd2并将输出节点doutp和doutn设置为逻辑低状态0v之后，pmos晶体管mp3、mp4、mp5和mp6关闭。为了传输逻辑位“1”，dinp从高电平驱动到低电平，同时dinn从低电平驱动到高电平。正电压脉冲被施加到隔离器的输入，并在输出“vb1-vb2”处产生正电压脉冲。节点g1然后耦合到较低的电压，而s1耦合到较高的电压。当s1和g1之间的峰值电压差大于mp1和ndw1形成的虚拟反相器的阈值时，输出doutp变高并在doutp处产生正脉冲。在接收器的另一侧，g2耦合至较高的电压，s2耦合至较低的电压。因此，在节点doutn处没有变化。doutp处的正脉冲没有doutn处的脉冲被解释为接收数据位“1”。类似地，为了在隔离栅上发送数据位“0”，在t1和t2之间施加一个负电压脉冲，方法是将dinp从低电平驱动到高电平，将dinn从高电平驱动到低电平。在变压器的输出“vb1-vb2”处产生一个负电压脉冲。节点g2然后耦合到较低的电压，而s2耦合到较高的电压。当s2和g2之间的峰值电压差大于mp2和ndw2形成的虚拟反相器的阈值时，输出doutn变高并在doutn处产生正脉冲。在接收器的另一侧，g1耦合至较高的电压，而s1耦合至较低的电压。因此，在节点doutp处没有变化。doutn处的正脉冲没有doutp处的脉冲被解释为接收到的数据位“0”。
39.本文描述的类型的数据隔离器可以以不同的物理布置来实现。根据一个实施例，发射电路、隔离器和接收电路都可以在单个半导体管芯或芯片上实现。替代地，那些组件可以在两个或更多个半导体管芯上实现。例如，隔离器可以在第一裸片上，并且发射和接收电路可以在相应的裸片上，或者可以共享裸片。
40.本文所述类型的数据隔离器可以用于各种设备和设置中。例如，多模功率隔离器可用于医疗设备系统、工业设备系统、物理测量系统或个人或便携式电子设备中的隔离。图
11是示出根据一些实施例的低功率数据隔离器系统在便携式电子设备设置中的非限制性应用的示意图。数据隔离器系统1100可以在便携式电子设备1101中使用，以高速且低功耗跨隔离栅传输数据。便携式电子设备1101可以是智能电话、个人数字助理(pda)、平板电脑或其他便携式设备。其他这样的设备可以利用这里描述的类型的数据隔离器系统。
41.尽管图11示出了结合了本申请的方面的便携式电子设备1101的示例，但是其他用途也是可能的。例如，可以在汽车或医疗仪器中采用一个或多个数据隔离器系统1100。可以实现本申请的各种实施例以在功率隔离器系统中提供多模式反馈控制。
42.本申请的各方面提供各种益处。已经描述了一些非限制性示例，并且现在对其进行描述。并非所有实施例都提供所有益处，并且可以实现除了列出的那些以外的益处。本公开的实施例提供了低功率和高速差分数据隔离器。差分数据隔离器可以是电容式隔离器，也可以是基于变压器的隔离器。在至少一些实施例中提供了具有差分信号处理的益处和单端信号处理的低功率益处的数据隔离器。根据本申请的一个方面，数据隔离器包括隔离器元件(变压器或电容器)和具有交叉耦合放大器的接收器。放大器可以是两个单端放大器或两个简单的反相器。隔离器的功耗可能与单端隔离器的功耗一致，同时提供了差分信号传输的优势。本申请的各方面提供了数据隔离器，该数据隔离器展现了对差分信号进行操作的差分接收器的优点，例如使噪声容限最大化和提高共模瞬变抗扰度(cmti)级别。
43.在一些实施例中，术语“大约”和“大概”可用于表示目标值的
±
20％以内，在一些实施例中表示目标值的
±
10％以内，在一些实施例中表示目标值的
±
5％以内，在一些实施例中表示目标值的
±
2％以内，术语“大约”和“大概”可以包括目标值。