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La funzione principale dell'isolatore è quella di trasmettere qualche forma di informazione attraverso la barriera di isolamento elettrico mentre blocca la corrente. L'isolatore è realizzato in materiale isolante, che può bloccare la corrente e ci sono elementi di accoppiamento ad entrambe le estremità della barriera di isolamento. Le informazioni vengono solitamente codificate dall'elemento di accoppiamento prima di essere trasmesse attraverso la barriera di isolamento.
L'isolatore digitale iCoubler® del produttore di circuiti stampati ADI utilizza un microtrasformatore in scala chip come elemento di accoppiamento per trasmettere i dati attraverso una barriera di isolamento in poliimide di alta qualità. Esistono due metodi principali di trasmissione dei dati utilizzati negli isolatori iCoubler: monoterminale e differenziale. Quando si seleziona un meccanismo di trasmissione dati, è necessario effettuare scelte ingegneristiche per ottimizzare le caratteristiche richieste del prodotto terminale.
Nella trasmissione dati monoterminale, utilizziamo un trasformatore e un'estremità dell'avvolgimento primario è messa a terra. Il codice di conversione logica nel segnale di ingresso è un impulso, che è sempre positivo rispetto al suolo e si trova sul chip trasmettitore. Questo è anche chiamato "un impulso, due impulsi" perché il bordo ascendente è codificato come due impulsi consecutivi, mentre il bordo discendente è rappresentato come un singolo impulso (vedi la parte superiore della Figura 1). Il ricevitore all'altra estremità della barriera di isolamento riceve il segnale e determina se sono stati inviati uno o due impulsi; ricostruirà quindi l'output di conseguenza.
La trasmissione differenziale dei dati utilizza veri e propri trasformatori differenziali. In questo caso, quando viene rilevato il bordo di ingresso, viene sempre inviato un singolo impulso, ma la polarità dell'impulso determina se la transizione è in aumento o in calo (in fondo alla figura 1). Il ricevitore è una vera struttura differenziale e l'uscita viene aggiornata in base alla polarità dell'impulso.
Trasferimento di dati monoterminale e differenziale
Uno dei principali vantaggi dell'approccio single-end è il minor consumo energetico a basse velocità di dati. Questo perché i ricevitori differenziali richiedono più corrente di polarizzazione CC rispetto ai trigger CMOS Schmitt utilizzati nei ricevitori monoterminale. Tuttavia, il metodo differenziale ha un consumo energetico inferiore a velocità di trasmissione più elevate per due motivi: il livello di azionamento e il numero di impulsi. Il livello di azionamento del trasformatore può essere ridotto, perché il ricevitore deve solo determinare la polarità e non deve determinare se ci sono un singolo impulso o due impulsi. In media, i sistemi monoterminale richiedono 1,5 impulsi per bordo, mentre la trasmissione differenziale richiede 1 impulso per bordo (una riduzione del 33%).
Il livello di azionamento ridotto e meno impulsi possono anche ridurre la radiazione a radiofrequenza. La ragione della radiazione è che l'impulso di corrente nell'alimentazione provoca la radiazione della struttura del circuito stampato. Poiché ci sono meno impulsi e l'energia di ogni impulso è inferiore, la radiazione di radiofrequenza generata è significativamente ridotta.
Rispetto ai sistemi monoterminale, la trasmissione differenziale presenta altri due vantaggi: ritardo di propagazione e immunità. Nel metodo single-end, quando si crea un singolo impulso o due impulsi, ci deve essere una relazione temporale specifica e il ricevitore deve analizzare gli impulsi all'interno di una finestra temporale specifica. Questi requisiti impongono restrizioni alla codifica e alla decodifica, e in definitiva limitano il ritardo di propagazione attraverso il dispositivo. Questo a sua volta limita il throughput totale che il dispositivo può raggiungere. Il metodo differenziale è meno limitato perché utilizza sempre un singolo impulso, quindi il ritardo di propagazione è più basso e il throughput è più alto.
Il ricevitore differenziale può rilevare in modo affidabile il segnale differenziale inviato dal trasmettitore e anche sopprimere l'inutile rumore in modalità comune che è onnipresente nel sistema di isolamento, con conseguente miglioramento significativo dell'immunità transitoria in modalità comune (CMTI). I ricevitori differenziali non sono troppo sensibili al rumore dell'alimentazione elettrica e quindi hanno una maggiore immunità. Il LED utilizzato nell'optocoppiatore è essenzialmente monoterminale, che è uno dei motivi per cui le prestazioni CMTI dell'optocoppiatore sono solitamente scarse. La trasmissione differenziale dei dati consente di migliorare significativamente le prestazioni degli isolatori digitali iCoubler rispetto agli optocoppiatori.
Il metodo di trasmissione dei dati è anche un'opzione per i progettisti per ottimizzare le prestazioni degli isolatori digitali. L'utilizzo di veri elementi di accoppiamento differenziale come base della tecnologia iCoubler può fornire un'elevata flessibilità in questo senso, che di solito è irraggiungibile anche da optocoppiatori e dispositivi di accoppiamento capacitivi.
