單片集成的可變增益可見(jiàn)光接收機

摘要：為了實(shí)現可見(jiàn)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(guò)軟件模擬，激光入射測試以及實(shí)地的配合由可見(jiàn)光控制的智能家具系統的測試，證明該接收機擁有良好的接收效果并能適應可見(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；可變增益；開(kāi)關(guān)電路；RGC；反相器

近年來(lái)，隨著(zhù)社會(huì )信息化程度不斷提高，信息交換量呈爆炸性增長(cháng)，而人們也不再局限于對無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)傳輸速率的追求，開(kāi)始在應用領(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(xiàn)局域網(wǎng)相比，“可見(jiàn)光通信”系統具有安全性高的特點(diǎn)。用窗簾遮住光線(xiàn)，信息就不會(huì )外泄至室外，同時(shí)使用多臺電腦也不會(huì )影響通信速度。由于不使用無(wú)線(xiàn)電波通信，對電磁信號敏感的醫院、飛機等場(chǎng)所也可以自由使用該系統。在設計工藝方面，以往多采用砷化鎵或者雙極性硅工藝來(lái)實(shí)現，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工藝已被廣泛應用于光通信系統芯片的設計中。本文即采用0．18μm CMOS工藝實(shí)現了可見(jiàn)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(kāi)關(guān)電路、前置放大器、主放大器、濾波電容、反相器等部分構成。由于自然光的影響，探測器在數據0傳輸時(shí)也會(huì )有微弱的電流輸出，所以設計時(shí)必須嚴格控制放大器的放大倍數于合理的范圍，既要滿(mǎn)足高電平的放大，也要避免低電平放大后達到開(kāi)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(lái)實(shí)現源漏區的離子注入被用來(lái)形成DPD的陰陽(yáng)極。制作方法為在N井內制作P+又指排列電極，并利用N+擴散引出N井電極，N井周?chē)籔+保護環(huán)包圍。P+叉指結構排列是為了增加耗盡區寬度且使耗盡區電場(chǎng)更加均勻，以利于更多的光生載流子做快速漂移運動(dòng)。
根據實(shí)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(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計，所以為了避免探測器長(cháng)時(shí)間向放大電路輸入電流，故在探測器與放大電路間加入開(kāi)關(guān)電路。開(kāi)關(guān)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(shí)開(kāi)關(guān)電路導通，反之截止。

由于開(kāi)關(guān)電路導通時(shí)即相當于短路，不會(huì )引入附加的電容、電阻，帶寬也遠高于放大電路主體，故不會(huì )對電路產(chǎn)生影響。