デジタルアイソレーター対決(後編)：磁気 vs 静電容量 - 半導体事業

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製品ピックアップインターフェース Analog Devices

回路の安全性や品質を高めるデジタルアイソレーターには、磁気絶縁方式と静電容量方式があります。

選定にあたり「両者の違いや特長を知りたい」「どちらが自社のアプリケーションに適しているかを判断したい」と調べている方も多いのではないでしょうか。

2回シリーズの後編となる今回は、静電容量方式による旧Maxim社のラインナップを紹介します。ぜひ参考にしてください。

【デジタルアイソレーター対決（前編）はこちら】

前編のおさらい：デジタルアイソレーターの種類と違い

前編では、磁気絶縁方式と静電容量方式の違い、それぞれの特長、向いているアプリケーション例などを紹介しました。

デジタルアイソレーターは、使われている結合方式、絶縁材、エンコーディングによって、得意分野が異なります。用途に応じて、最適な方式のデジタルアイソレーターを選択することが重要です。

下図のように、アナログ・デバイセズ社では両方の結合方式のラインナップを持っています。

詳しく知りたい方は、前編を併せてお読みください。

→前編はこちら【デジタルアイソレーター対決(前編)：磁気 vs 静電容量】

前編では、磁気絶縁方式のラインナップを紹介しました。旧来のアナログ・デバイセズ社の製品で、絶縁材にポリイミドを使用し、エンコーディングはオン・オフ・キーイングを用いています。

今回は、静電容量方式による旧Maximのラインナップを紹介します。

【ラインナップ紹介・後編】旧Maximの静電容量方式

旧Maximの静電容量方式のラインナップは、絶縁材にSiO2（二酸化ケイ素）を使用し、エンコーディングはエッジトリガーを採用しています。このラインナップには、どのような特長があるのでしょうか。

主要な特長として、高速データレート、低伝搬遅延、低ジッター、低消費電力が挙げられます。これらは、ポリイミドを使用した磁気結合方式には見られないメリットです。

下に、詳細な構成図を示します。

製品ラインナップの中から突出しているスペックを抜粋すると、「データレート最大200Mbps」、「伝搬遅延10ns以下」、「1チャンネルあたりの消費電力0.65mA以下（1Mbps通信時）」など、魅力的な数字が並びます。静電容量方式ならではの特長が充実したラインナップです。

データレート：最大200Mbps

1Mbps通信時の1chあたり消費電力：0.65mA以下

伝搬遅延：10ns以下

ジッター：8ps

チャンネル間スキュー：1ns

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　静電容量方式アイソレーター(旧Maxim社ラインナップ)の突出したスペック

なぜ「低伝搬遅延」が重要なのか？

なぜ、デジタルアイソレーターにおいて低伝搬遅延が重要なのでしょうか。その理由を説明しましょう。

伝搬遅延(propagation delay)とは、簡単に言うと、デジタルアイソレーター内部の入力から出力までの遅延のことです。

例えば、下図のようにマイクロコントローラーユニット(MCU)とA/Dコンバーター(ADC)でSPI通信をおこない、間にデジタルアイソレーターを置いて絶縁させる場合を考えてみましょう。

MCUからADCのサンプリング基準となるクロック(SCLK)を送信し、ADCはMCUにAD変換結果を応答します。

MCUとAD間の絶縁信号の流れ — アイソレーターの伝搬遅延の考慮が必要な例：MCUとADコンバーター間

このとき、間にあるデジタルアイソレーターの伝搬遅延が加わることで、ADCのラッチが適切なタイミングで実行されなくなり、意図したデータと得られるデータにズレが生じる可能性があります。

伝搬遅延によるズレを防ぐために、ADCのサンプリング速度を落とすなどの調整が必要になり、理想のシステム設計からの妥協を強いられるかもしれません。

特に、光や音などの高速サンプリングが求められるアプリケーションでは、伝搬遅延の仕様が大きく影響します。そのため、伝搬遅延が限りなく低いことが望ましいのです。

なぜ「低ジッター」が重要なのか？

また、静電容量方式のラインナップは低ジッターであることも利点の1つです。ジッターはどのような性能に影響するのでしょうか。

ジッターとは、タイミングの揺らぎのことです。A/D変換の観点では、ジッターが大きいとACCのサンプリングポイントがずれてしまい、歪みやノイズと化し、信号対雑音比(SNR)が劣化します。

特に、高精度な測定の場合、クロックジッターが重要な指標となることを頭に入れておきましょう。

【ラインナップ(1) MAX22445】業界トップレベルの高速4チャンネルアイソレーター

それでは、具体的なラインナップを紹介していきましょう。

静電容量方式の特色を十分に活用し、業界トップレベルの高速データレートと低い伝搬遅延を実現しているのが、4チャンネルアイソレーター「MAX22445」です。最大データレート200Mbps、ジッター8psRMSは、いずれも注目に値するスペックです。

・高いタイミング性能

-最大データレート：200Mbps

-低ジッター：8psRMS

-低伝搬遅延：10ns

-低チャンネル間スキュー：2ns

・低消費電力

-各チャンネル 0.74mW (1Mbps通信時, VDD=1.8V)

・強化絶縁

-絶縁耐圧(VISO)：5kVRMS

-連続耐圧(VIOWM)：1500VRMS

-CMTI：50kV/µs

・使いやすい

-電源電圧範囲：1.71V～5.5V

-動作温度範囲：-40℃～+125℃

■ アプリケーション例

・通信基地局

・光や音など高速かつ高精度な計測が求められるアプリケーション

磁気絶縁方式「ADuM341E」との比較

このMAX22445を、前編で紹介した磁気絶縁方式のおすすめデジタルアイソレーター「ADuM341E」と比較すると、どのような違いがあるのでしょうか。比較表をご覧ください。

堅牢性なら旧ADI、タイミング性能&消費電力なら旧Maximが有利

データレートを比較すると、ADuM341Eの150Mbpsに対して、MAX22445は200Mbpsで、より高速な通信が可能です。さらに、伝搬遅延もMAX22445がより低いため、高速通信にはMAX22445が優位性を持つことがわかります。MAX22445は消費電力も大幅に低く、ADuM341Eと比べて約4分の1に抑えられています。