單片集成的可變?cè)鲆婵梢姽饨邮諜C(jī)

0 引言

近年來，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)無線局域網(wǎng)傳輸速率的追求，開始在應(yīng)用領(lǐng)域以及安全性問題上進(jìn)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(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，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0.18 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了可見光接收機(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 工藝中用來實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)的離子注入被用來形成DPD的陰陽(yáng)極。制作方法為在N井內(nèi)制作P+叉指排列電極，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1.5~3.5 μA 之間，而在關(guān)閉光源的情況下有約0.1 μA的輸出。

1.3 開關(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關(guān)電路。開關(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)開關(guān)電路導(dǎo)通，反之截止。

由于開關(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 的輸入電阻為：

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[5].

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)，以開關(guān)電路控制通斷，如圖5 所示，以保證跨阻放大器在1~20 μA 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。[!--empirenews.page--]

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)目前可見光傳輸速率相對(duì)還較低的特點(diǎn)。

圖10給出了輸入2 μA/0.15 μA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)可見光現(xiàn)階段的低頻傳輸。