單片集成的可變增益可見光接收機

摘要：為了實現可見光傳輸信號的接收，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。經過軟件模擬，激光入射測試以及實地的配合由可見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光的低傳輸速率，且有較大的輸入動態范圍。
關鍵詞：可見光；單片集成；可變增益；開關電路；RGC；反相器

近年來，隨著社會信息化程度不斷提高，信息交換量呈爆炸性增長，而人們也不再局限于對無線局域網傳輸速率的追求，開始在應用領域以及安全性問題上進行更廣泛的探索研究。可見光通信就是近幾年發展火熱的通信方式之一。與目前使用的無線局域網相比，“可見光通信”系統具有安全性高的特點。用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至室外，同時使用多臺電腦也不會影響通信速度。由于不使用無線電波通信，對電磁信號敏感的醫院、飛機等場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實現，但它們有成本高、功耗大、集成度低的缺點。近幾年來，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工藝實現了可見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、開關電路、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傳輸時也會有微弱的電流輸出，所以設計時必須嚴格控制放大器的放大倍數于合理的范圍，既要滿足高電平的放大，也要避免低電平放大后達到開啟電壓。

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工藝中用來實現源漏區的離子注入被用來形成DPD的陰陽極。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井周圍被P+保護環包圍。P+叉指結構排列是為了增加耗盡區寬度且使耗盡區電場更加均勻，以利于更多的光生載流子做快速漂移運動。
根據實測，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，而在關閉光源的情況下有約0．1 μA的輸出。
1．3 開關電路
由于本次采用單片集成的設計，所以為了避免探測器長時間向放大電路輸入電流，故在探測器與放大電路間加入開關電路。開關電路設計如圖2所示，a、b端分別連接探測器和放大器，SEL接高電位時開關電路導通，反之截止。

由于開關電路導通時即相當于短路，不會引入附加的電容、電阻，帶寬也遠高于放大電路主體，故不會對電路產生影響。