单片集成的可变增益可见光接收机

摘要：为了实现可见光传输信号的接收，并尽可能减小接收机的体积，适应不同亮度下的传输，利用0．18μm CMOS工艺，自主设计光探测器、跨阻放大器、主放大器并集成于一片，形成单片集成的可变增益光接收机。经过软件模拟，激光入射测试以及实地的配合由可见光控制的智能家具系统的测试，证明该接收机拥有良好的接收效果并能适应可见光的低传输速率，且有较大的输入动态范围。
关键词：可见光；单片集成；可变增益；开关电路；RGC；反相器

    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。
1．4 前置放大器
    要把电流信号转化成电压信号，一种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稳定，频带宽，以及不需要均衡电路等优点。设计结构如图3所示。

    为了隔离大寄生电容，提高带宽，本设计采用了图4所示的RGC结构作为输入级。RGC的输入电阻，其是共栅级的倍。并且RGC电路能提供一个虚地输入阻抗，因此对电容的隔离效果更好。

    跨阻放大器的跨阻则是连接在图3中的LINE1与LINE2之间，为了适应不同光强与不同距离时，探测器输出的不同，本次设计将跨阻设为1 kW，5 kW，10 kW，20 kW，50 kW，100 kW等6个等级，以开关电路控制通断，如图5所示，以保证跨阻放大器在1-20μA的宽输入范围内皆可获得理想的输出。

1．5 主放大器
    主放大器结构如图6所示，由四级差分电路及失调补偿回路构成。在工艺过程中，可能出现CMOS器件之间和电阻元器件间的不匹配等因素，使直流电压产生偏移，经放大单元逐级放大后，足以使其后的放大级和输出缓冲级达到截止或饱和，使整个限幅放大器不能正常工作，因此失调电压补偿十分重要。

    图7为设计采用的基本差分单元。
1．6 输出端
    输出端由一个滤波电容和一个反相器组成。滤波电容起到隔直通交的作用。反向器如图8所示，只要经前面两级放大器放大后的电压达到MOS管开启电压，即可输出较为理想的1．8 V／0 V方波，为外部电路提供理想的数据流输入，同时也放宽了对前级放大电路的限制。并且由于反相器的带宽远高于放大电路，故不会对电路整体产生影响。

2 模拟仿真结果
    如图9所示为主放大器输出端与跨阻放大器输入端的幅频特性曲线。由图可见电路的3 dB带宽约为500 MHz，低频特性良好，低频截止频率约为100 kHz，正好适应目前可见光传输速率相对还较低的特点。

    图10给出了输入2μA／0．15μA方波时的眼图。

3 结语
    电路设计将光接收机整体集成于一片，有效地缩小了体积并减小了各模块级联时带入的误差。仿真结果表明接收机有较宽范围的带宽，并能很好的适应可见光现阶段的低频传输。