В электронных системах часто требуется изолировать входы или выходы от основного опорного потенциала (земли). Необходимость в такой гальванической развязке может быть обусловлена различными причинами: типом входного датчика или управляемого исполнительного устройства, соображениями безопасности для медицинского оборудования, прикрепляемого к пациенту, или работой компонентов схемы во взрывоопасной или иной чувствительной среде.
Общим требованием для таких приложений является необходимость определения состояния цифровой линии на плавающей стороне схемы. Обычно эта задача решается с помощью оптопары, но у оптопар есть ограничения: они потребляют довольно много энергии со стороны источника сигнала, работают относительно медленно, а старение излучателя света снижает коэффициент передачи тока.
Схема на Рисунке 1 воспроизводит состояние цифрового сигнала без потребления энергии со стороны его источника и с небольшим потреблением на заземленной стороне. Она просто определяет значение резистивной нагрузки (низкое значение сопротивления полностью открытого MOSFET или обрыв цепи при выключенном MOSFET), приложенной к вторичной обмотке миниатюрного одновиткового трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1. Время выборки данных составляет несколько десятков наносекунд.
 | |
| Рисунок 1. | По каждому положительному фронту сигнала SENSE_CLK эта схема возвращает на выход DATA_OUT состояние гальванически изолированного цифрового сигнала на входе DATA_IN. |
Передний фронт сигнала SENSE_CLK дифференцируется комбинацией драйвера MOSFET (микросхема IC1) и RC-цепи, подключенной к его входам. Дифференцированный положительный 5-вольтовый импульс с выхода IC1 затем подается на индуктивный делитель 2:1, образованный первичными обмотками трансформаторов T1 и T2. Средняя точка этого делителя подключена к инвертирующему входу сверхбыстродействующего компаратора IC3.
Если вторичная обмотка трансформатора T2 разомкнута (когда сигнал DATA_IN = 0, и MOSFET выключен), амплитуды импульса (около 2.5 В) достаточно, чтобы установить низкий уровень на внутреннем выходе компаратора. При этом два логических элемента микросхемы IC2 формируют короткий импульс (расположенный посередине импульса, подаваемого на трансформаторы T1 и T2), который поступает на вход разрешения защелки (LE) микросхемы IC3. LE защелкивает сигнал внутреннего выхода компаратора на его внешнем выходе (DATA_OUT), устанавливая на нем низкое напряжение, копирующее сигнал DATA_IN. Однако при высоком уровне на входе DATA_IN MOSFET включен и нагружает первичную обмотку T2 низким сопротивлением открытого канала. Это снижает амплитуду импульса от делителя T1-T2 до уровня, недостаточного для переключения компаратора. В результате импульс на входе LE фиксирует на выходе DATA_OUT высокий уровень, снова копируя состояние DATA_IN.
Микросхемы IC1, IC2 и IC3 работают от одного источника питания 5 В. Отдельные блокировочные конденсаторы, расположенные рядом с выводами питания каждой микросхемы минимизируют уровень помех. Резисторы R3 и R4 устанавливают пороговое напряжение срабатывания компаратора IC3.
Для трансформаторов T1 и T2 выбран ферритовый сердечник Fair-Rite (#2673000101) длиной 3 мм и диаметром 3.3 мм с одним витком для каждой первичной и вторичной обмотки. Для минимизации индуктивности соединение между трансформатором T2 и MOSFET должно быть как можно короче. Напряжение пробоя изолирующего барьера зависит от типа изоляции проводов, используемых в одновитковых обмотках, а также от конструкции и материала печатной платы. Например, пробивное напряжение тефлоновой или полиимидной изоляции составляет несколько киловольт. (Ферритовый сердечник считается проводящим).
 | |
| Рисунок 2. | Временные зависимости для некоторых сигналов в схеме на Рисунке 1. |
Входная и выходная емкости всей схемы, при условии тщательной сборки, определяются межвитковой емкостью трансформатора T2. При использовании указанного сердечника и провода диаметром 0.5 мм с тефлоновой изоляцией результирующая межвитковая емкость составляет менее 0.2 пФ. Задержка выборки данных от положительного фронта SENSE_CLK до DATA_OUT (Рисунок 2) составляет порядка 20 нс.