单片集成的可变增益可见光接收机方案
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+叉指排列电极,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1.5~3.5 μA 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 的输入电阻为:
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