單片集成的可變?cè)鲆婵梢?jiàn)光接收機(jī)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光傳輸信號(hào)的接收，并盡可能減小接收機(jī)的體積，適應(yīng)不同亮度下的傳輸，利用0．18μm CMOS工藝，自主設(shè)計(jì)光探測(cè)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?cè)鲆?strong>光接收機(jī)。經(jīng)過(guò)軟件模擬，激光入射測(cè)試以及實(shí)地的配合由可見(jiàn)光控制的智能家具系統(tǒng)的測(cè)試，證明該接收機(jī)擁有良好的接收效果并能適應(yīng)可見(jiàn)光的低傳輸速率，且有較大的輸入動(dòng)態(tài)范圍。
關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光；單片集成；可變?cè)鲆?；開(kāi)關(guān)電路；RGC；反相器

    近年來(lái)，隨著社會(huì)信息化程度不斷提高，信息交換量呈爆炸性增長(zhǎng)，而人們也不再局限于對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)傳輸速率的追求，開(kāi)始在應(yīng)用領(lǐng)域以及安全性問(wèn)題上進(jìn)行更廣泛的探索研究?？梢?jiàn)光通信就是近幾年發(fā)展火熱的通信方式之一。與目前使用的無(wú)線局域網(wǎng)相比，“可見(jiàn)光通信”系統(tǒng)具有安全性高的特點(diǎn)。用窗簾遮住光線，信息就不會(huì)外泄至室外，同時(shí)使用多臺(tái)電腦也不會(huì)影響通信速度。由于不使用無(wú)線電波通信，對(duì)電磁信號(hào)敏感的醫(yī)院、飛機(jī)等場(chǎng)所也可以自由使用該系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)工藝方面，以往多采用砷化鎵或者雙極性硅工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，但它們有成本高、功耗大、集成度低的缺點(diǎn)。近幾年來(lái)，高成品率、低成本的CMOS工藝已被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)中。本文即采用0．18μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光接收機(jī)的單片集成。

1 電路設(shè)計(jì)
1．1 電路的整體設(shè)計(jì)
    如圖1所示，本次設(shè)計(jì)的光接收機(jī)由光探測(cè)器、開(kāi)關(guān)電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器等部分構(gòu)成。由于自然光的影響，探測(cè)器在數(shù)據(jù)0傳輸時(shí)也會(huì)有微弱的電流輸出，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)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(dá)到開(kāi)啟電壓。

1．2 光探測(cè)器
    該設(shè)計(jì)的光探測(cè)器是利用N井屏蔽襯底載流子的雙光電二極管DPD結(jié)構(gòu)。CMOS工藝中用來(lái)實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)的離子注入被用來(lái)形成DPD的陰陽(yáng)極。制作方法為在N井內(nèi)制作P+又指排列電極，并利用N+擴(kuò)散引出N井電極，N井周圍被P+保護(hù)環(huán)包圍。P+叉指結(jié)構(gòu)排列是為了增加耗盡區(qū)寬度且使耗盡區(qū)電場(chǎng)更加均勻，以利于更多的光生載流子做快速漂移運(yùn)動(dòng)。
    根據(jù)實(shí)測(cè)，在一般室內(nèi)照明下，由于探測(cè)器至光源距離不同，該探測(cè)器輸出電流在1．5～3．5μA之間，而在關(guān)閉光源的情況下有約0．1 μA的輸出。
1．3 開(kāi)關(guān)電路
    由于本次采用單片集成的設(shè)計(jì)，所以為了避免探測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間向放大電路輸入電流，故在探測(cè)器與放大電路間加入開(kāi)關(guān)電路。開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)如圖2所示，a、b端分別連接探測(cè)器和放大器，SEL接高電位時(shí)開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，反之截止。

    由于開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)即相當(dāng)于短路，不會(huì)引入附加的電容、電阻，帶寬也遠(yuǎn)高于放大電路主體，故不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響。
1．4 前置放大器
    要把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，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(diǎn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    為了隔離大寄生電容，提高帶寬，本設(shè)計(jì)采用了圖4所示的RGC結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)。RGC的輸入電阻，其是共柵級(jí)的倍。并且RGC電路能提供一個(gè)虛地輸入阻抗，因此對(duì)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(yīng)不同光強(qiáng)與不同距離時(shí)，探測(cè)器輸出的不同，本次設(shè)計(jì)將跨阻設(shè)為1 kW，5 kW，10 kW，20 kW，50 kW，100 kW等6個(gè)等級(jí)，以開(kāi)關(guān)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(nèi)皆可獲得理想的輸出。

1．5 主放大器
    主放大器結(jié)構(gòu)如圖6所示，由四級(jí)差分電路及失調(diào)補(bǔ)償回路構(gòu)成。在工藝過(guò)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(jí)放大后，足以使其后的放大級(jí)和輸出緩沖級(jí)達(dá)到截止或飽和，使整個(gè)限幅放大器不能正常工作，因此失調(diào)電壓補(bǔ)償十分重要。

    圖7為設(shè)計(jì)采用的基本差分單元。
1．6 輸出端
    輸出端由一個(gè)濾波電容和一個(gè)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(jí)放大器放大后的電壓達(dá)到MOS管開(kāi)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(shí)也放寬了對(duì)前級(jí)放大電路的限制。并且由于反相器的帶寬遠(yuǎn)高于放大電路，故不會(huì)對(duì)電路整體產(chǎn)生影響。

2 模擬仿真結(jié)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(jiàn)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(yīng)目前可見(jiàn)光傳輸速率相對(duì)還較低的特點(diǎn)。

    圖10給出了輸入2μA／0．15μA方波時(shí)的眼圖。

3 結(jié)語(yǔ)
    電路設(shè)計(jì)將光接收機(jī)整體集成于一片，有效地縮小了體積并減小了各模塊級(jí)聯(lián)時(shí)帶入的誤差。仿真結(jié)果表明接收機(jī)有較寬范圍的帶寬，并能很好的適應(yīng)可見(jiàn)光現(xiàn)階段的低頻傳輸。