Vítejte, dnes je
neděle
22.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Pokud chcete někoho nebo také něco imitovat a netrhnout si přitom ostudu, musíte být jednoznačně lepší než originál.
Napodobování je zcela běžnou praxí, zvláště když původní vzor ve své oboru něčím vyniká. Platit to ale může i obráceně, to když naše předloha, jakkoli je jinak po celém světě běžná či rozšířená, skvělými vlastnostmi zase tolik neoplývá a my se ji proto rozhodneme povýšit ve vlastní režii na zcela novou úroveň. Zkrátka, hodláme dát věcem řád.
Řešením je oxid křemičitý
Vezměte si třeba takové optočleny sloužící ke spolehlivému galvanickému oddělení signálu. Jsou tu s námi zhruba již od sedmdesátých let minulého století, takže během uplynulých padesáti roků prošly nemalým vývojem. Celou řadu zapojení si bez nich v elektronice ostatně nedokážeme vůbec představit. Ledacos o tom vypovídá i nejedno pojmenování, které pro ně jinak výrazově chudší anglický jazyk používá. Vystupují zde jako optocoupler, photocoupler, opto-isolator nebo též optical isolator. Pak tu ale máme výrazné „jenže“. Jejich (elektrické) charakteristiky totiž začínají narážet na limity a vývojáři najednou stojí před klíčovou otázkou: nahradit, či nechat být? A pokud vyměnit, tak za co?
Vhodné alternativy s kapacitní nebo též magnetickou technologií není naštěstí zapotřebí dlouho hledat. Své k tomu má co říct společnost Analog Devices a její početné iCouplery nebo např. Infineon Technologies a příbuzné oddělovací prvky rodiny ISOFACE™, kterým se blíže věnujeme v samostatném článku. Želízko v ohni ale má i firma Texas Instruments (TI), pro kterou budou příznačné spíše ty „kondenzátory“. Na přístupu, který se odvíjí od schopností SiO2, zde pracuje od počátku nového tisíciletí a nyní přichází s dalšími novinkami. Pojit se s nimi bude ještě jedno označení, které alespoň výstižně odhaluje původní záměr výrobce: opto-emulator. Vedle digitálních, „vysokorychlostních“ obvodů zde proto nalezneme i struktury napodobující své analogové protějšky, to vše ale v novém hávu. Výchozí funkce na úrovni blokového diagramu zůstává zachována, stejně jako vzájemná či zpětná kompatibilita součástek. Jen ty výsledky se začnou rychle lišit.
Žádná LED, žádný problém
Nové integrované obvody napodobující činnost klasických optočlenů představila firma Texas Instruments v září. Hodlá s nimi zlepšit signálovou integritu, spotřebovat méně energie a samozřejmě prodloužit i životnost spousty (vysokonapěťových) průmyslových aplikací, včetně systémů z automobilového sektoru. Výchozí optoemulátory jsou navíc vývodově kompatibilní s nejčastěji používanými optoprvky, což jen usnadňuje rychlou a pohodlnou integraci do stávajících řešení, která mohou nyní těžit právě z předností technologie postavené na SiO2. Chování vstupních a také výstupních signálů bude prostě ekvivalentní. V řezu bychom pro větší srozumitelnost viděli tři čipy, pokud jde o vstupní část, izolaci nebo výstupní obvody.
Tradiční optoprvky s vestavěnou svítivou diodou a také spoustou různých konfigurací zajišťující potřebnou izolaci jsou mezi vývojáři naprosto běžnou záležitostí. Pro jednoduchá zapojení nebo k názornému vysvětlení principů činnosti, třeba ve školní laboratoři, je z diskrétních součástek dokonce pohodlně zvládneme vyrobit i „na koleně“. V obvodovém řešení však stále nesmíme zapomínat na kompenzaci nevyhnutelného vlivu stárnutí LED, a tudíž i ujíždění parametrů. Významnou roli zde samozřejmě bude hrát i teplota, velikost proudu tekoucího v propustném směru apod. V případě mnohem důmyslnějších struktur od TI se však vlivu stárnutí polovodiče prakticky zcela vyhneme. Výrobce zde dokonce hovoří o čtyřiceti letech a jedním dechem dále počítá s klíčovými úrovněmi 500 VRMS/µm (jen pro srovnání, u optočlenů běžně uvažujeme pětinovou hodnotu, která se ale může rychle snížit na další pětinu, a v případě vzduchu dokonce až na 1 VRMS/µm) nebo např. VISO = 3750 VRMS, to vše při dalším snižování výkonové spotřeby až o 80 procent. Z pohledu teplotního rozsahu součástky ustojí skutečně široký záběr, klidně od -55 °C až do +125 °C, přičemž výhodu zde ve srovnání s optočleny představuje třeba až desetinásobně vyšší CMTI (common-mode transient immunity). Fyzické provedení pouzder nemusí překračovat ani rozměry 4,8 x 2,7 mm, zatímco vývojovou desku pořídíte již od devatenácti dolarů. A v roce 2024 bychom se konečně mohli dočkat i verzí optoemulátorů navržených pro komplikovanější automobilový průmysl.
Je to OK. Nebo OOK?
U integrovaných obvodů, které se rozhodly chytře napodobit činnost poněkud problematických optočlenů, a to i v čistě analogové rovině, dochází k přenosu vstupního signálu přes izolační bariéru na základě modulace OOK (on-off keying). Jeden logický stav zde bude reprezentovat vysílání vysokofrekvenčního nosného kmitočtu, přičemž druhý stav se již obejde bez jakéhokoli interního signálu. Na straně přijímače zase dochází k demodulaci signálu poté, co ještě prošel pokročilým zpracováním, takže se může nyní dostat až na výstupní piny. Součástky se rovněž pyšní zdokonalenými postupy pro maximální navýšení šířky pásma, stejně jako minimální vyzařované rušení (emise).
Pokud bychom tedy chtěli shrnout výhody moderního přístupu emulátorů optočlenů, můžeme tak učinit celkem v sedmi oblastech. Prakticky nestárnou, nedegradují a poplatně své technologii se spokojí též i s nižšími proudy. Zatímco běžný digitální optočlen počítá s CMTI přibližně 15 kV/µs, pro obvody ISOM8710 (CMOS, digitální výstup a přenosová rychlost až 25 Mb/s; ISOM8711 je dále v provedení s otevřeným kolektorem) je příznačné minimum v podobě 125 kV/µs, takže se neztratí ani v prostředí s vysokým rušením. S tím se rovněž pojí zmiňované rychlosti přenosu dat, kdy u lepších optočlenů počítáme spíše jen s jedním až deseti Mb/s. Zapomenout ale nesmíme ani na CTR (current transfer ratio) – proč se strachovat o stabilitu se změnami teploty nebo si za lepší výsledky připlácet? Za zmínku zde rovněž stojí šířka pásma, která v případě „analogových“ obvodů ISOM8110 (v době psaní článku stále jako Preview, CTR 100 – 155 %, v rámci celé řady dále roste) dosahuje 680 kHz a vhodně tak nahrává menším pasivním součástkám a ještě lepší odezvě, třeba u měničů typu Flyback. Obecně se totiž s přehledem uplatní právě ve zpětnovazebních řídicích smyčkách spínaných, izolovaných zdrojů napájení s cílem zajistit regulovaný výstup. Srovnat si můžete i standardní teplotní rozsah již od -55 °C, příp. -40 °C až do +125 °C, zatímco průměrné optočleny bez příplatku nabízí třeba záběr od nuly a jen do +85 °C. A rozdíl jednoho či pěti set voltů na mikrometr z hlediska spolehlivé izolace také o něčem vypovídá.
Jinými slovy, novinky od Texasu, na které jsme si dnes posvítili, tradiční optočleny cíleně napodobují, ale ne proto, že by se jednalo o příklad hodný následování. Soupeří s nimi a z pohledu samotné činnosti se jim snaží po funkční stránce vyrovnat, jen aby je mohly dále ve všem klíčovém překonávat. I tak lze ostatně chápat širší význam slovesa „emulate“.
Odkazy:
