A Compact Highly Integrated Data Communication System for On-Chip Digital Isolator

Pour répondre à la demande industrielle de liaisons de communication de données durables, fiables, peu encombrantes et qui peuvent résister à un mode commun élevé (CM) en raison des tensions, de nombreux chercheurs et entreprises ont concentré leurs efforts sur l’adaptation des isolateurs numériques pour assurer un fonctionnement robuste en présence de bruit CM. Cependant, malgré des progrès significatifs, ces solutions sont toujours confrontées à des défis liés à la taille des circuits intégrés, à des vitesses plus faibles, à une latence élevée et à des conceptions énergivores et complexes, les rendant non applicables pour les communications multicanaux. Dans cette thèse, nous présentons des systèmes de communication de données pour isolateurs numériques sur puce basés sur le couplage inductif et capacitif. En utilisant ces méthodes, nous proposons des isolateurs numériques à faible latence et entièrement intégrés prenant en charge les liaisons de données multicanaux haute vitesse sur deux puces. L’approche inductive permet d’atteindre une vitesse de fonctionnement de 0,6 Gbps avec un délai de propagation de 0,8 ns, ce qui surpasse tous les autres circuits existants. L’isolateur numérique capacitif est quant à lui capable de supporter 1,27 kVrms de tension de rupture d’isolement, un taux de données élevé de 0,68 Gbps et un délai de propagation minimum de 1,9 ns. Par rapport aux solutions précédentes, cette nouvelle approche consomme moins d’espace silicium, produit une distorsion d’impulsion plus faible et présente une consommation d’énergie réduite, ce qui la rend adaptée aux liaisons de communication multicanaux et à l’intégration dense. Les deux approches proposées dans cette thèse enregistrent un taux d’erreur binaire maximal mesuré (BER) de 10–15 lors de mesures avec des tests de fonctionnalité de base, ce qui est une plage acceptable pour les produits commerciaux. Les prototypes proposés servent des applications potentielles de système-dans-un boitier (SiP), telles que l’intégration sur puce de canaux d'isolement entre une unité de microcontrôleur (MCU) et une commande de porte dans les interfaces de capteurs industriels. Côté basse tension, le système de communication de données par couplage inductif mis en oeuvre se compose d’un détecteur de transition, d’inverseurs connectés en cascade, d’inverseurs à limitation de courant, de transistors de commande et d’un transformateur d’isolation. De plus, pour le côté haute tension, des étages de polarisation, de filtres, des blocs de maintien de niveau crête et bas, un amplificateur différentiel et un comparateur sont fabriqués.

Abstract

In addressing the industrial demand for durable, dependable, and space-efficient data communication links that can withstand elevated common mode (CM) voltages, many researchers and companies have concentrated their efforts on adapting digital isolators to ensure robust operation in the presence of CM noise. However, despite significant progress, these solutions still face challenges related to their consumed area, lower speeds, high latency, power intensity, and complex designs, rendering them non-applicable for multi-channel communications. In this thesis, we present data communication systems for on-chip digital isolators based on inductive and capacitive coupling. Using these methods, we propose low latency and fully integrated digital isolators supporting high-speed multi-channel data links in two die structures. The inductive-based approach achieves 0.6 Gbps of operation speed with 0.8 ns of propagation delay, outperforming all other reported similar works. The capacitive digital isolator is capable of sustaining 1.27 kVrms of isolation breakdown voltage, a high data rate of 0.68 Gbps, and a minimum propagation delay of 1.9 ns. In comparison with previous products, the approach consumes less active silicon area, lower pulse distortion, and reduced energy consumption, making it suitable for multi-channel communication links and dense integration. The two approaches satisfy a measured bit error rate (BER) of 10 ̶ 15 at the basic functionality test, which is an acceptable range for commercial products. The proposed prototypes serve potential system-in-package (SiP) applications such as the on-chip integration of isolation channels between a microcontroller unit (MCU) and a gate driver in industrial sensor interfaces. At the low voltage side, the implemented data communication system of inductive coupling consists of an edge detector, cascade-connected inverters, current limiting inverters, driver transistors, and an isolation transformer. At the high voltage side, biasing/high-pass filter (HPF) stages, peak/bottom level hold blocks, a differential amplifier, and a comparator are fabricated. The implementation of the capacitive digital isolator is further categorized into two designs. The transmitter (Tx) die of the single link design is composed of an edge detector, an edge amplitude limiter, and a multiplexer. At the receiver (Rx) die, an isolation capacitor, two comparators, and a D Flip-Flop are located.