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.