在這個自動化、數字化和工業4.0的時代，信號和數據的傳輸正在發揮著越來越大的作用。生產車間內外的這些應用中的機器、系統甚至個別傳感器的聯網，不僅需要穩定的基礎設施，還需要安全、快速、高精度、無干擾、高帶寬的傳輸路徑。根據應用情況，傳輸路徑可能需要承受極端惡劣的環境條件。

為高速鏈路接口添加隔離可以改善在這些惡劣環境下工作的性能，但這一直以來都不是一項簡單的工作。數據速率高于250 Mbps 時，就已超過光耦合器和大部分數字隔離器的容量范圍，迫使系統設計人員采用更為復雜的技術，例如光纖。ADI公司專利的 iCoupler?技術可以在數據速率超過 1 Gbps 下隔離低壓差分信號（LVDS）物理層，不失是一種頗具性價比的選擇，可以以此降低同時需要隔離和高帶寬的系統的復雜性。

如何實現高速信號的隔離？這是個問題

LVDS是一種在更高性能轉換器和高帶寬FPGA或ASICI/O中常用的高速接口。差分信號傳輸對于外部電磁干擾(EMI)具有很強的抑制能力（因為反相與同相信號之間的互相耦合所致），同時也相應地可以將任何因為LVDS信號傳輸所造成的EMI最小化。如下圖右側所示，顯示了LVDS信號電平與RS-485和M-LVDS的比較。LVDS驅動器提供一個電流輸出，當通過100Ω端接電阻連接時，就會在接收器輸入端產生一個差分電壓，其典型值為350 mV，共模范圍是0到2.4 V。在LVDS接口上增加隔離是一種透明解決方案，可以將其插入高速和精密測量以及控制應用的現有信號鏈當中。

光耦合器歷來是隔離信號的最常見選擇，但由于速度太慢，通常只能提供最高25 Mbps的數據速率，所以它不適合隔離高速信號；分立的變壓器和電容可以隔離高速信號，但是需要針對特定應用的設計和測試來解決其對信號完整性的不利影響，這種方法在支持的數據速率范圍上也有局限性，通常還需要AC平衡編碼，而且成本較高或影響PCB面積；光纖技術非常適合隔離高速信號，如今已廣泛使用，可以支持數十或數百Gbps的速率和非常長的距離，不過對于短距離上1到10 Gbps的數據速率，考慮到現代協議和信號，光纖有點大材小用。另外，使用光纖不僅會影響系統成本，而且還會影響產品的尺寸，因為需要容納較大物理連接器以及接口電路。

隔離高速數據的方案是將其數字化。作為數字隔離領域的全球領導者，ADI專有的iCoupler數字隔離器技術基于芯片級變壓器，支持更高的數據速率，功耗更低，性能更加穩定。通過使用晶圓級工藝直接在片內制造變壓器，iCoupler數字隔離通道能以較低成本相互集成以及與其它半導體功能集成在一起。當前增強的iCoupler差分編碼是在原可實現超過1 Gbps的極高數據速率，同時由于信號的差分特性而具有抗噪性。類似地，由于差分信號的平衡特性，即使在高頻下，電磁干擾也很低。

業界首款采用增強iCoupler技術的千兆數字隔離器

市場上已經有各種各樣用于實現隔離LVDS接口的產品。ADI公司的隔離LVDS系列是非常有效且可靠的解決方案，包括DN4654/ADN4655/ADN4656，能夠以低抖動在高達 1.1 Gbps 的數據速率下運行， 同時也符合非隔離LVDS接口的標準值。相比之下，標準數字隔離器只能達到150 Mbps。由于采用i Coupler?技術，盡管存在隔離，該系列仍能實現非常高的數據速率，可以為符合 TIA/EIA-644-A 標準的 LVDS 驅動器和接收器提供電氣隔離。

ADN4654/ADN4655/ADN4656 包含多種通道配置，ADN4655 和 ADN4656 上的 LVDS 接收器包含一個故障安全機制，可在輸入懸空、短路或端接但未驅動時確保相應的 LVDS 驅動器輸出為邏輯 1。 

對于低抖動條件下的高速運行，LVDS 和隔離器電路依賴于 2.5 V 電源。集成的片內低壓差 (LDO) 穩壓器可以通過外部 3.3 V 電源提供所需的 2.5 V 電壓。這些器件完全適合在廣泛的工業溫度范圍內使用，采用具有 5 kV rms 隔離的 20 引腳寬體 SOIC_W 封裝，或采用具有 3.75 kV rms 隔離的 20 引腳 SSOP 封裝。

ADI公司針對HDMI的數字隔離解決方案就采用了ADN4654，這是一款完全隔離的HDMI視頻解決方案，其可靠性和魯棒性已經得到了工業市場的廣泛認可。在該解決方案中，ADN4654使用耦合網絡讓CML和LVDS來回轉換，可用于隔離HDMI使用的TMDS數據和時鐘信號。1.1 Gbps的數據速率可以在此隔離鏈路上實現720p分辨率。其他支持更高分辨率的替代方案包括使用并行LVDS通道的隔離協議，或使用多個隔離器的FPGA SERDES。上圖為基于 iCoupler? 的隔離 HDMI 系統，核心器件為 1.1Gbps 的隔離 LVDS 收發器 ADN4654，結合隔離 I2C 和 isoPower實現了 720P 的隔離 HDMI 視頻隔離傳輸。

這一完整的解決方案將ADI的iCoupler技術的安全性和穩健性注入HDMI。下圖顯示的是一個HDMI視頻源，它被分成兩個相同的HDMI通道，其中一條通道完全隔離，隔離通道和非隔離通道之間沒有任何質量損失，經驗證，隔離顯示屏上的視頻質量沒有質量損失。這款采用ADN4654的數字隔離解決方案實現了720P的隔離HDMI視頻隔離傳輸，其典型應用為工業可視界面，儀器儀表和內窺鏡。

總結

一些需要高帶寬隔離的關鍵應用包括交流電機驅動器和機器人的電機控制、臺式和現場設備的儀器儀表、工業數據采集，以及印刷機和切割機等。為了在惡劣環境下保護模擬前端或外部工業背板/通信端口以便提高自動化程度，需要進行魯棒性增強隔離。然而，今天的轉換器和ASIC高速串行接口難以在足夠的帶寬下實現隔離以便實現精密測量和控制。利用iCoupler? LVDS直接數字隔離器實現隔離，無需進行任何解串或額外的設計工作和信號調理，實現完美的工業數據和信號的安全傳輸系統設計。