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单片集成的可变增益可见光接收机

近年来,随着社会信息化程度不断提高,信息交换量呈爆炸性增长,而人们也不再局限于对无线局域网传输速率的追求,开始在应用领域以及安全性问题上进行更广泛的探索研究。可见光通信就是近几年发展火热的通信方式之一。与目前使用的无线局域网相比,“可见光通信”系统具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线,信息就不会外泄至室外,同时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波通信,对电磁信号敏感的医院、飞机等场所也可以自由使用该系统。在设计工艺方面,以往多采用砷化镓或者双极性硅工艺来实现,但它们有成本高、功耗大、集成度低的缺点。近几年来,高成品率、低成本的CMOS工艺已被广泛应用于光通信系统芯片的设计中。本文即采用0.18μm CMOS工艺实现了可见光接收机的单片集成。

1 电路设计
1.1 电路的整体设计
    如图1所示,本次设计的光接收机由光探测器、开关电路、前置放大器、主放大器、滤波电容、反相器等部分构成。由于自然光的影响,探测器在数据0传输时也会有微弱的电流输出,所以设计时必须严格控制放大器的放大倍数于合理的范围,既要满足高电平的放大,也要避免低电平放大后达到开启电压。


1.2 光探测器
    该设计的光探测器是利用N井屏蔽衬底载流子的双光电二极管DPD结构。CMOS工艺中用来实现源漏区的离子注入被用来形成DPD的阴阳极。制作方法为在N井内制作P+又指排列电极,并利用N+扩散引出N井电极,N井周围被P+保护环包围。P+叉指结构排列是为了增加耗尽区宽度且使耗尽区电场更加均匀,以利于更多的光生载流子做快速漂移运动。
    根据实测,在一般室内照明下,由于探测器至光源距离不同,该探测器输出电流在1.5~3.5μA之间,而在关闭光源的情况下有约0.1 μA的输出。
1.3 开关电路
    由于本次采用单片集成的设计,所以为了避免探测器长时间向放大电路输入电流,故在探测器与放大电路间加入开关电路。开关电路设计如图2所示,a、b端分别连接探测器和放大器,SEL接高电位时开关电路导通,反之截止。


    由于开关电路导通时即相当于短路,不会引入附加的电容、电阻,带宽也远高于放大电路主体,故不会对电路产生影响。

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