Isolateur numérique

Diverses techniques permettent l'isolation galvanique d'un signal, notamment l'usage de photocoupleur, qui permet le transfert du signal vers un autre domaine électrique par l'entremise de la lumière. Dans la même puce, une photodiode (émetteur) permet l'émission de photon lorsqu'elle se trouve polarisée de façon directe. Cette émission traverse un isolant diélectrique, puis un phototransistor capte cette émission reproduisant ainsi le signal électrique de départ.

Exemple d'implémentation d'un optocoupleur.

Les taux de transferts des optocoupleurs vont de quelques dizaines de Hz à un peu plus de 10 MHz[10].

• Immunisation aux interférences provenant de champs magnétiques extérieurs.
• Immunisation aux interférences provenant de champs électriques extérieurs.

• Taux de transferts de données peu élevé. Ce faible taux provient de l'important délai de commutation de la photodiode à l'interne [11]
• Puissance dissipée relativement élevée par rapport aux autres solutions existantes.
• Requiert davantage de composants discrets (non-intégrés) que les autres solutions.

Schéma de principe de l'isolation par couplage inductif.

Les lois de Faraday démontrent qu'il est possible de produire un champ magnétique variant dans le temps, en faisant varier le courant dans un solénoïde [3]. Inversement, il est également possible avec un champ électromagnétique variant dans le temps de produire un courant dans un solénoïde. Il devient alors possible de faire varier à partir d'une première bobine un courant dans une seconde bobine et ainsi, transmettre de l'information entre deux circuits électriquement distants et indépendants. C'est le principe de fonctionnement décrivant la technique d'isolation inductive puisqu'en réalité, ces bobines sont miniaturisées sur des tranches de silicium à l'aide de diverses techniques de fabrications en salles blanches[12]. Le signal d'entrée est encodé et transmis à la première bobine sous formes d'impulsions, sur détection de changement de fronts (montants ou descendants), puisque l'inductance de la bobine tend naturellement à rejeter la tension continue. L'impulsion sera vu comme une variation de tension et l'impulsion électromagnétique produite sera captée par la deuxième bobine en traversant la barrière d'isolation. Cette barrière est généralement faite de polyimide, un polymère isolant, de faible coefficient diélectrique [13]. L'impulsion est finalement décodé et le signal original est reproduit en sortie.

Ce type de circuit permet des taux de transferts allant de 1 MHz jusqu'à 600 MHz [14]. Les modèles offerts sur le marché permettent généralement une isolation allant de 1,5 kV/μs à quelques dizaines de kV/μs, bien que certains atteignent 75 kV/μs[15].

• Taux de transferts de données élevées
• Immunisation aux interférences provenant de champs électriques extérieurs.
• Technologie permettant la consommation la plus faible [16]

• Susceptibilité face aux interférences provenant de champ magnétiques.

Principe de fonctionnement de l'isolation par couplage capacitif.

Le principe derrière l'isolation capacitive est relativement semblable à celui de l'isolation inductive. L'isolation inductive se sert d'un champ magnétique pour traverser une barrière d'isolation tandis que l'isolation capacitive se sert d'un champ électrique pour traverser la barrière d'isolation. La nature de cette barrière d'isolation est sensiblement la même que le diélectrique d'un condensateur, justifiant son appellation. Généralement, cette barrière est faite de dioxyde de silicium, constituant un isolant de qualité pour ce type d'application et s'implémentant facilement sur une puce de silicium. Plusieurs techniques de fabrication permettent d'obtenir cette couche d'isolation, notamment par croissance d'oxyde (oxydation thermique) ou par dépôt d'oxyde de silicium (PECVD) [17].

Bien que l'électricité ne puisse traverser la barrière diélectrique formée par l'oxyde, le champ électrique qu'il engendre en est capable. Lorsqu'un condensateur se charge, les électrons circulent et s'accumulent sur une première électrode. Cette accumulation créé un champ traversant le diélectrique et repoussant les électrons de la deuxième électrode. Cet effet de répulsion atteint sa limite lorsque le condensateur est pleinement chargé, bloquant ainsi le courant continu ce qui n'aura permis finalement qu'un infime mouvement d'électrons. Toutefois, si la tension sur la première électrode est variable dans le temps, le champ électrique résultant le sera également et il deviendra donc continuellement possible de faire bouger les électrons de la deuxième électrode. En ce sens, on utilise une technique de modulation OOK (en anglais, On Off Keying) afin de transmettre le signal[18]. Lorsqu'une tension alternative est mesurée sur la deuxième électrode, on considère l'état logique transmis niveau haut et lorsque aucune variation n'est mesurée, on considère qu'un état logique bas est transmis.

De cette façon, il est possible d'atteindre des taux de transferts allant de 1M à 150 MHz. Les modèles courants offerts sur le marché permettent une isolation de 1,5 kV/µs à 200 kV/µs[19].

• Taux de transferts de données élevées
• Immunisation aux interférences provenant de champs magnétiques extérieurs.

• Susceptibilité face aux interférences provenant de champs électriques