数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。
多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限， 唯一合理的选择是光耦合器。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。
设计人员之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。
传统隔离器——光耦合器则会带来非常大的不利影响，功耗极高，而且数据速率低于1 Mbps。虽然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。
数字隔离器问世于10多年前，目的是降低光耦合器相关的不利影响。数字隔离器采用基于CMOS的电路，能够显著节省成本和功耗，同时大大提高数据速率。数字隔离器由上述要素界定。绝缘材料决定其固有的隔离能力，所选材料必须符合安全标准。结构和数据传输方法的选择应以克服上述不利影响为目的。所有三个要素必须互相配合以平衡设计目标，但有一个目标必须不折不扣地实现，那就是符合安全法规。
绝缘材料
数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压绝缘体具有悠久的历史。
准通常规定1分钟耐压额定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(典型值125 V rms至400 V rms)。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压(如10 kV峰值并持续50 μs)作为增强绝缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提供最佳的隔离特性，如表1所示。基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器相似，在典型工作电压时寿命更长。基于SiO2的隔离器对浪涌的防护能力相对较弱，不能用于医疗和其他应用。
各种薄膜的固有应力也不相同。聚酰亚胺薄膜的应力低于SiO2薄膜，可以根据需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔离能力也会受限；超过15 μm时，应力可能会导致晶圆在加工过程中开裂，或者在使用期间分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器可以使用厚达26 μm的隔离层。
隔离器结构
数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端，光耦合器则是使用LED发出的光。如图1所示，变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流。电流脉冲很短(1 ns)，因此平均电流很低。变压采用差分连接，提供高达100 kV/μs的出色共模瞬变抗扰度(光耦合器通常约为15 kV/μs)。磁性耦合对变压器线圈间距离的依赖性也弱于容性耦合对板间距离的依赖性， 因此，变压器线圈之间的绝缘层可以更厚，从而获得更高的隔离能力。结合聚酰亚胺薄膜的低应力特性，使用聚酰亚胺的变压器比使用SiO2的电容更容易实现高级隔离性能。
电容为单端连接，更容易受共模瞬变影响。虽然可以用差分电容对来弥补，但这会增大尺寸并提高成本。电容的优势之一是它使用低电流来产生耦合电场。当数据速率较高时(25 Mbps以上)，这一优势就相当明显。
数据传输方法
光耦合器使用LED发出的光将数据传输到隔离栅的另一端：LED点亮时表示逻辑高电平，熄灭时表示逻辑低电平。当LED点亮时，光耦合器需要消耗电能；对于关注功耗的应用，光耦合器不是一个好的选择。多数光耦合器将输入端和/或输出端的信号调理留给设计人员实现，而这并不一定是非常简单的工作。
数字隔离器使用更先进的电路来编码和解码数据，支持更快的数据传输速度，能够处理USB和I2C等复杂的双向接口。
一种方法是将上升沿和下降沿编码为双脉冲或单脉冲，以驱动变压器。(图2)这些脉冲在副边解码为上升沿或下降沿。这种方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因为不像光耦合器，电源无需连续提供给器件。器件中可以包括刷新电路，以便定期更新直流电平。
另一种方法是使用RF调制信号，其使用方式与光耦合器使用光的方式非常相似，逻辑高电平信号将引起连续RF传输。这种方法的功耗高于脉冲方法，因为逻辑高电平信号需要持续消耗电能。也可以采用差分技术来提供共模抑制，不过，这些技术最好配合变压器等差分元件使用。
数字隔离器 ADUM4160BRWZ-RL 的参数
数字隔离器
制造商 Analog Devices Inc.
系列 iCoupler?
包装 ? 带卷（TR） ?
零件状态 在售
技术 磁耦合
类型 USB
隔离式电源 无
通道数 2
输入 - 输入侧 1/输入侧 2 2/2
通道类型 双向
电压 - 隔离 5000Vrms
共模瞬态抗扰度（最小值） 25kV/μs
数据速率 12Mbps
传播延迟 tpLH / tpHL（最大值） 70ns，70ns脉宽失真（最大） -上升/下降时间（典型值） 20ns，20ns（最大）电压 - 电源 3.1 V ~ 5.5 V工作温度 -40°C ~ 105°C
安装类型 表面贴装
封装/外壳 16-SOIC（0.295"，7.50mm 宽）
供应商器件封装 16-SOIC
基本零件编号 ADUM4160
特色产品：ADuM4160 Digital Isolator
标准包装：47
输入 - 1 侧/2 侧：2/2
电源电压：3.1 V ~ 5.5 V
数据速率：12Mbps
输出类型：逻辑
工作温度：-40°C ~ 105°C
通道数：2
电压 - 隔离：5000Vrms
传输延迟：60ns
封装/外壳：16-SOIC（0.295"，7.50mm 宽）
包装：管件
前言第1章绪论
11引言12基本半导体元器件结构121无源元件结构122有源器件结构13半导体器件工艺的发展历史14集成电路制造阶段141集成电路制造的阶段划分142集成电路时代划分143集成电路制造的发展趋势15半导体制造企业16基本的半导体材料161硅——最常见的半导体材料162半导体级硅163单晶硅生长164IC制造对衬底材料的要求165晶体缺陷166其他半导体材料17半导体制造中使用的化学品18半导体制造的生产环境181净化间沾污类型182污染源与控制183典型的纯水制备方法本章小结本章习题
第2章半导体制造工艺概况
21引言22器件的隔离221PN结隔离222绝缘体隔离23双极型集成电路制造工艺24CMOS器件制造工艺24120世纪80年代的CMOS工艺技术24220世纪90年代的CMOS工艺技术24321世纪初的CMOS工艺技术本章小结本章习题
第3章清洗工艺
31引言32污染物杂质的分类321颗粒322有机残余物323金属污染物324需要去除的氧化层33清洗方法331RCA清洗332稀释RCA清洗333IMEC清洗334单晶圆清洗335干法清洗34常用清洗设备——超声波清洗设备341超声波清洗原理342超声波清洗机343超声波清洗机的工艺流程344超声波清洗机的操作流程345其他清洗设备35清洗的质量控制本章小结本章习题
第4章氧化
41引言42二氧化硅膜的性质43二氧化硅膜的用途44热氧化方法及工艺原理441常用热氧化方法及工艺原理442影响氧化速率的因素45氧化设备46氧化工艺操作流程47氧化膜的质量控制471氧化膜厚度的测量472氧化膜缺陷类型及检测473不同方法生成的氧化膜特性比较本章小结本章习题
第5章化学气相淀积
51引言511薄膜淀积的概念512常用的薄膜材料513半导体制造中对薄膜的要求52化学气相淀积（CVD）原理521化学气相淀积的概念522化学气相淀积的原理53化学气相淀积设备531APCVD532LPCVD533等离子体辅助CVD54CVD工艺流程及设备操作规范55外延551外延的概念、作用、原理552外延生长方法553硅外延工艺56CVD质量检测本章小结本章习题
第6章金属化
61引言611金属化的概念612金属化的作用62金属化类型621铝622铝铜合金623铜624阻挡层金属625硅化物626钨63金属淀积631蒸发632溅射633金属CVD634铜电镀64金属化流程641传统金属化流程642双大马士革流程65金属化质量控制本章小结本章习题
第7章光刻
71引言711光刻的概念712光刻的目的713光刻的主要参数714光刻的曝光光谱715光刻的环境条件716掩膜版72光刻工艺的基本步骤73正性光刻和负性光刻731正性光刻和负性光刻的概念732光刻胶733正性光刻和负性光刻的优缺点74光刻设备简介741接触式光刻机742接近式光刻机743扫描投影光刻机744分步重复光刻机745步进扫描光刻机75光刻工艺机简介及操作流程751URE2000/25光刻机简介752光刻机操作流程76光刻质量控制761光刻胶的质量控制762对准和曝光的质量控制763显影检查本章小结本章习题
第8章刻蚀
81引言811刻蚀的概念812刻蚀的要求82刻蚀工艺821湿法刻蚀822干法刻蚀823两种刻蚀方法的比较83干法刻蚀的应用831介质膜的刻蚀832多晶硅膜的刻蚀833金属的干法刻蚀834光刻胶的去除84刻蚀设备85干法刻蚀工艺流程及设备操作规范86刻蚀的质量控制本章小结本章习题
第9章掺杂
91引言92扩散921扩散原理922扩散工艺步骤923扩散设备、工艺参数及其控制924常用扩散杂质源93离子注入931离子注入原理932离子注入的重要参数933离子注入掺杂工艺与扩散掺杂工艺的比较94离子注入机941离子注入机的组成及工作原理942离子注入工艺及操作规范943离子注入使用的杂质源及注意事项95退火96离子注入关键工艺控制97离子注入的应用971沟道区及阱区掺杂972多晶硅注入973源漏区注入98掺杂质量控制981结深的测量及分析982掺杂浓度的测量983污染本章小结本章习题
第10章平坦化
101引言102传统平坦化技术1021反刻1022玻璃回流1023旋涂玻璃法103化学机械平坦化1031CMP优点和缺点1032CMP机理1033CMP设备1034CMP工艺流程及工艺控制1035CMP应用104CMP质量控制1041膜厚的测量及非均匀性分析1042硅片表面状态的观测方法及分析本章小结本章习题第11章工艺模拟
111引言1111工艺模型1112工艺模拟器简介1113Athena 基础112氧化工艺模拟113淀积工艺模拟114光刻工艺模拟115刻蚀工艺模拟116掺杂工艺模拟1161扩散工艺模拟1162离子注入工艺模拟
参考文献
