一种基于可见光通信的发射端专用集成电路的制作方法

本发明涉及一种可见光通信电路。特别是涉及一种采用CMOS工艺实现的基于可见光通信的发射端专用集成电路。

背景技术：

近年来，随着电子科技的高速发展，智能设备的用户总数和普及率逐年大幅度增加，随之增长的是人们对高速宽带多媒体通信的需求。此时传统射频通信出现频谱资源紧张的态势，加之电磁辐射干扰等因素的局限,以及人们日益重视辐射对身体健康的影响，促使产生了一种能够拓宽频谱的资源，通过绿色节能的LED灯为传输基站的通信方式——可见光通信。

可见光通信作为一种无线通信领域新兴的技术，是在白光LED技术的基础上发展起来的。和传统的照明光源相比，白光LED是一种杰出的绿色照明光源，它的亮度高、尺寸小、功耗低、驱动容易、使用寿命长、绿色环保，特别是响应灵敏度很高，拥有良好的调制特性，因此可以用来进行数据通信。

室内可见光通信，相比于常见的电磁波无线通信，具有不占用无线电频谱资源、保密性好、无电磁辐射等优点，而且兼顾照明和通信两种功能，因此VLC技术具备广阔的发展前景，已经引起研究者们的普遍关注和深入研究。

对可见光通信系统的研究在近两年开始兴起。然而白光LED调制带宽窄的缺点严重限制了信号的传输速率，这也成为制约LED技术发展的瓶颈。为解决这一问题，均衡技术逐渐引起人们注意。此外，设计用于可见光通信的整体独立光发射电路的专用集成电路处于创新研发阶段，这方面鲜有报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种将可见光通信的发射端集成于一个芯片，整体采用的CMOS工艺单片集成，实现了LED调制带宽展宽的基于可见光通信的发射端专用集成电路。

本发明所采用的技术方案是：一种基于可见光通信的发射端专用集成电路，是由预加重电路和驱动电路两部分构成，具体包括有第一至第六MOS管，其中，第一MOS管的栅极和漏极连接第一外部电源，第一MOS管的源极、第二MOS管的栅极和漏极以及第三MOS管的栅极共同通过第一电容连接外部脉冲信号，所述第二MOS管源极接地，所述第三MOS管的源极分别通过第二电阻接地，以及通过第三电阻和第二电容的串联接地，所述第三MOS管的漏极分别连接第四MOS管的栅极，以及通过第一电阻连接第一外部电源，所述第四MOS管的源极分别通过第五电阻接地，以及通过第六电阻和第三电容的串联接地，所述第四MOS管的漏极分别连接第五MOS管的栅极，以及通过第四电阻连接第一外部电源，所述第五MOS管的源极分别通过第七电阻接地，以及连接第六MOS管的栅极，所述第五MOS管的漏极连接第一外部电源，所述第六MOS管的源极通过第八电阻接地，所述第六MOS管的漏极连接红光LED的负极，所述红光LED的正极通过第九电阻连接第二外部电源。

本发明的一种基于可见光通信的发射端专用集成电路，使用模拟预均衡技术提升LED有限的调制带宽，将可见光通信的发射端集成于一个芯片，整体采用的CMOS工艺单片集成，实现了LED调制带宽的展宽，使可见光通信系统向集成化迈出重要一步。本发明具有以下优点：

1、采用模拟预加重的方式对LED做出均衡补偿，能够很好地与LED的线性失真进行匹配，极大地展宽VLC系统的带宽。

2、采用电流源加镇流电阻的方式驱动LED，使电路更加简单高效，而且电流的匹配性能高。

3、采用标准CMOS工艺，使可见光通信系统芯片化，使用成熟先进的半导体工艺CMOS技术，代替了现有的通过分立元器件的方式搭建的可见光通信系统，实现了VLC系统的高度集成化，减小了系统体积，降低了成本。为可见光通信的芯片行业注入新的活力。

4、基于新兴的可见光通信技术，实现了可见光环境下的数据发射功能，与传统的射频通信技术相比，具有适用性广，抗干扰保密性强，无电磁辐射对人体无害等优点，在危险品存放和特殊场所物品检测方面有诸多优势。

综上所述，本发明提出的基于可见光通信的发射机专用集成电路结构和实施方法具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于可见光通信的发射端专用集成电路的电路原理图；

图2是本发明应用于可见光通信系统的结构框图；

图中：

1：预加重电路 2：驱动电路

3：光电探测器 4：跨阻放大器

5：限幅放大器

图3a是测试红光LED在VLC系统中的响应频率的发送端Bias-Tee的电路原理图；

图3b是测试红光LED在VLC系统中的响应频率的接收端的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于可见光通信的发射端专用集成电路做出详细说明。

本发明的一种基于可见光通信的发射端专用集成电路，包括两级预加重电路，负责补偿由于LED的线性失真造成的带宽下降，从而展宽VLC系统的物理带宽，通过模拟预加重的方式对LED的非线性失真做出了补偿，提高了可见光通信系统的物理带宽；还包括一级LED驱动电路，采用电流源加镇流电阻的方式驱动，其作用是提供给LED合理的工作流，使其工作在线性区域内。

本发明采用了标准CMOS工艺，将可将光通信系统与半导体通信芯片产业相结合，用于可见光通信的芯片将为整个通信芯片行业注入新的活力。

如图1所示，本发明的一种基于可见光通信的发射端专用集成电路，是由预加重电路和驱动电路两部分构成，具体包括有第一至第六MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6，其中，第一MOS管M1的栅极和漏极连接第一外部电源VDD1，第一MOS管M1的源极、第二MOS管M2的栅极和漏极以及第三MOS管M3的栅极共同通过第一电容C1连接外部脉冲信号IN，所述第二MOS管M2源极接地，所述第三MOS管M3的源极分别通过第二电阻R2接地，以及通过第三电阻R3和第二电容C2的串联接地，所述第三MOS管M3的漏极分别连接第四MOS管M4的栅极，以及通过第一电阻R1连接第一外部电源VDD1，所述第四MOS管M4的源极分别通过第五电阻R5接地，以及通过第六电阻R6和第三电容C3的串联接地，所述第四MOS管M4的漏极分别连接第五MOS管M5的栅极，以及通过第四电阻R4连接第一外部电源VDD1，所述第五MOS管M5的源极分别通过第七电阻R7接地，以及连接第六MOS管M6的栅极，所述第五MOS管M5的漏极连接第一外部电源VDD1，所述第六MOS管M6的源极通过第八电阻R8接地，所述第六MOS管M6的漏极连接红光LED D的负极，所述红光LED D的正极通过第九电阻连接第二外部电源VDD2。

本发明的一种基于可见光通信的发射端专用集成电路包含两级预加重电路以及LED驱动电路。通过利用预加重电路的高通特性与LED的幅频响应曲线相匹配。通过预加重电路来补偿LED的线性失真，达到展宽LED调制带宽的目的。第一MOS管M1和第二MOS管M2以红光LED方式连接组成分压电阻，给电路提供合理的直流偏置。组成带源级负反馈的共源级放大器，其反馈由一个电阻电容的并联结构组成，由于电容的阻直流通交流的特性，在低频下这个结构呈现高阻值，在高频下呈现低阻值，这就体现了电路的高通特性。在没有加反馈时，第一级共源级电路的带宽为

${\mathrm{\ω}}_{3dB}=\frac{1}{\[r_0//R_1\](C_{DB}//C_L)}$

r₀为第三MOS管M3的沟道电阻，R₁为负载电阻，C_DB为漏区与衬底之间的结电容。C_L为负载电容，在本电路中为从第三MOS管M3漏级看进去到地的电容。加入源级负反馈后电路带宽变为

${\mathrm{\ω}}_{3dB}=\frac{1}{\[r_0//R_D\](C_{DB}+C_L)}(1+R_Z{g}_m)$

其中g_m为小信号跨导。在ω_3dB附近

通过上述公式，我们可以计算第一级预加重电路的响应幅度，第二级预加重电路计算方法与上面相同。第二级预加重电路的加入使整个系统可以补偿两个不同频率的响应并且使整个系统的线性度更好。同时第二级预加重电路能够使输出信号的相位与输入信号的相位相同。第五MOS管M5作为源跟随器起到电压缓冲器的作用，第六MOS管M6作为大功率输出管驱动LED工作在线性区域内。VDD1是芯片的供电电压为1.8V，VDD2作为红光LED的供电电压为2.2V，因为红光LED的典型工作电压为2.0V，所以不能使用芯片的供电电压来给其供电，而要提供额外的电压源使其工作在线性区。通过仿真得到合理的各元件参数，使其电路的响应频率曲线能够较好的补偿LED的线性失真，从而提高系统物理带宽。

如图2所示，本发明的一种基于可见光通信的发射端专用集成电路应用于LED调制驱动电路中构成LED可见光通信系统，其主要由发射端和接受端两部分组成。发射端电路主要由预加重电路和驱动电路构成，由信号源发出的信号经由预加重电路提高了高频响应，弥补了LED的线性失真，通过设计的驱动电路来驱动红光LED，使其发出带有信息的明暗交替的光。接收端电路由光电探测器PIN接受光信号变为电流信号，后经跨阻放大器(TIA)将微弱的电流信号转换为电压信号，最后经过限幅放大器(AP)输出到示波器显示出来。

如图3a、图3b所示，针对可见光通信系统，采用信号发生器和示波器来测量LED的频率响应曲线，测量装置如图3a、图3b所示。在发射端如图3a所示，从信号发生器产生的正弦波信号通过Bias-T加载到由恒流源驱动的LED上，此时LED就会发出明暗交替的闪烁调制信号。在接受端，由光电探测器探测到光信号转换为电流信号经过TIA以及AP的放大处理输出到示波器上进行观测，其电路原理图如图3b所示。保持信号发生器输出电压幅度不变，在低频点开始增大信号源的频率，接收端探测到的信号电压会逐渐降低，当其值下降到低频下的0.707倍时，此时的频率为该LED的-3dB带宽。