摘要：為了實現(xiàn)可見光傳輸信號的接收，并盡可能減小接收機的體積，適應不同亮度下的傳輸，利用0．18μm CMOS工藝，自主設計光探測器、跨阻放大器、主放大器并集成于一片，形成單片集成的可變增益光接收機。經(jīng)過軟件模擬，激光入射測試以及實地的配合由可見光控制的智能家具系統(tǒng)的測試，證明該接收機擁有良好的接收效果并能適應可見光的低傳輸速率，且有較大的輸入動態(tài)范圍。
關鍵詞：可見光；單片集成；可變增益；開關電路；RGC；反相器
近年來，隨著社會信息化程度不斷提高，信息交換量呈爆炸性增長，而人們也不再局限于對無線局域網(wǎng)傳輸速率的追求，開始在應用領域以及安全性問題上進行更廣泛的探索研究?？梢姽馔ㄐ啪褪墙鼛啄臧l(fā)展火熱的通信方式之一。與目前使用的無線局域網(wǎng)相比，“可見光通信”系統(tǒng)具有安全性高的特點。用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至室外，同時使用多臺電腦也不會影響通信速度。由于不使用無線電波通信，對電磁信號敏感的醫(yī)院、飛機等場所也可以自由使用該系統(tǒng)。在設計工藝方面，以往多采用砷化鎵或者雙極性硅工藝來實現(xiàn)，但它們有成本高、功耗大、集成度低的缺點。近幾年來，高成品率、低成本的CMOS工藝已被廣泛應用于光通信系統(tǒng)芯片的設計中。本文即采用0．18μm CMOS工藝實現(xiàn)了可見光接收機的單片集成。
1 電路設計
1．1 電路的整體設計
如圖1所示，本次設計的光接收機由光探測器、開關電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器等部分構成。由于自然光的影響，探測器在數(shù)據(jù)0傳輸時也會有微弱的電流輸出，所以設計時必須嚴格控制放大器的放大倍數(shù)于合理的范圍，既要滿足高電平的放大，也要避免低電平放大后達到開啟電壓。
1．2 光探測器
該設計的光探測器是利用N井屏蔽襯底載流子的雙光電二極管DPD結構。CMOS工藝中用來實現(xiàn)源漏區(qū)的離子注入被用來形成DPD的陰陽極。制作方法為在N井內制作P+又指排列電極，并利用N+擴散引出N井電極，N井周圍被P+保護環(huán)包圍。P+叉指結構排列是為了增加耗盡區(qū)寬度且使耗盡區(qū)電場更加均勻，以利于更多的光生載流子做快速漂移運動。
根據(jù)實測，在一般室內照明下，由于探測器至光源距離不同，該探測器輸出電流在1．5～3．5μA之間，而在關閉光源的情況下有約0．1 μA的輸出。
1．3 開關電路
由于本次采用單片集成的設計，所以為了避免探測器長時間向放大電路輸入電流，故在探測器與放大電路間加入開關電路。開關電路設計如圖2所示，a、b端分別連接探測器和放大器，SEL接高電位時開關電路導通，反之截止。
由于開關電路導通時即相當于短路，不會引入附加的電容、電阻，帶寬也遠高于放大電路主體，故不會對電路產(chǎn)生影響。
1．4 前置放大器
要把電流信號轉化成電壓信號，一種有效的方案是采用跨阻型前置放大器，跨阻放大器具有增益穩(wěn)定，頻帶寬，以及不需要均衡電路等優(yōu)點。設計結構如圖3所示。
為了隔離大寄生電容，提高帶寬，本設計采用了圖4所示的RGC結構作為輸入級。RGC的輸入電阻，其是共柵級的倍。并且RGC電路能提供一個虛地輸入阻抗，因此對電容的隔離效果更好。
跨阻放大器的跨阻則是連接在圖3中的LINE1與LINE2之間，為了適應不同光強與不同距離時，探測器輸出的不同，本次設計將跨阻設為1 kW，5 kW，10 kW，20 kW，50 kW，100 kW等6個等級，以開關電路控制通斷，如圖5所示，以保證跨阻放大器在1-20μA的寬輸入范圍內皆可獲得理想的輸出。
1．5 主放大器
主放大器結構如圖6所示，由四級差分電路及失調補償回路構成。在工藝過程中，可能出現(xiàn)CMOS器件之間和電阻元器件間的不匹配等因素，使直流電壓產(chǎn)生偏移，經(jīng)放大單元逐級放大后，足以使其后的放大級和輸出緩沖級達到截止或飽和，使整個限幅放大器不能正常工作，因此失調電壓補償十分重要。
圖7為設計采用的基本差分單元。
1．6 輸出端
輸出端由一個濾波電容和一個反相器組成。濾波電容起到隔直通交的作用。反向器如圖8所示，只要經(jīng)前面兩級放大器放大后的電壓達到MOS管開啟電壓，即可輸出較為理想的1．8 V／0 V方波，為外部電路提供理想的數(shù)據(jù)流輸入，同時也放寬了對前級放大電路的限制。并且由于反相器的帶寬遠高于放大電路，故不會對電路整體產(chǎn)生影響。
2 模擬仿真結果
如圖9所示為主放大器輸出端與跨阻放大器輸入端的幅頻特性曲線。由圖可見電路的3 dB帶寬約為500 MHz，低頻特性良好，低頻截止頻率約為100 kHz，正好適應目前可見光傳輸速率相對還較低的特點。
圖10給出了輸入2μA／0．15μA方波時的眼圖。
3 結語
電路設計將光接收機整體集成于一片，有效地縮小了體積并減小了各模塊級聯(lián)時帶入的誤差。仿真結果表明接收機有較寬范圍的帶寬，并能很好的適應可見光現(xiàn)階段的低頻傳輸。
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