带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片的制作方法

本发明涉及一种可见光通信接收机专用芯片。特别是涉及一种带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片。

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。

传统射频识别技术已经广泛应用于各个行业和领域，其具有的体积小、寿命长、可重复使用等优点使其大规模使用于定位及物品长期跟踪管理。但大部分射频系统工作时，需要或产生很强的电磁辐射，这些电磁污染会对周围的人们和环境造成潜在危害。在某些特殊的场所中的应用，例如医院、飞机、精密仪器应用都有非常大的局限性。在大量危险品的存放和管理中也禁止有大量的电磁辐射，例如在对带有金属的易爆物管理中，也是不适宜使用射频技术的。

针对上述射频技术中的缺点，可以看出利用可见光进行的数据传输的技术的研究方向十分有意义，运用其技术所开发的产品也具有很好的市场前景。而在可见光通信系统中，接收机作为其通过接收光信号，将光信号转变为电信号再进行处理，对数据传输的速率，稳定程度以及正确与否起到了十分重要的作用。

对可见光通信中接收机的研究在近两年来刚刚兴起，但由于接收器件特性差异较大，系统整体结构所含模块较多，之间相互影响较为复杂，现有的研究主要是基于其可行性方面的研究，接收机搭建所用的也都是商用分立器件以实现功能，鲜少有集成设计的光接收机模拟芯片。因此，设计用于可见光通信系统的整体独立接收机专用集成电路处于创新研发阶段，该方面还鲜有报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现在可见光光照环境下高数据速率接收机功能的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片。

本发明所采用的技术方案是：一种带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片，包括有依次串联连接的：将经过光探测器得到的电流信号转化为电压信号并进行放大的低功耗跨阻抗放大器、用于改善光接收机的整体带宽性能的后均衡电路、用于将前级放大器输出的电压信号放大的三级限幅放大器、双端转单端电路以及用作信号判决的反向器，所述反向器的输出端构成可见光通信接收机专用芯片输出端，还设置有起到反馈调节作用以稳定电路直流工作点的直流电平偏移消除电路，所述直流电平偏移消除电路的输入端连接所述多级限幅放大器的输出端，所述直流电平偏移消除电路的输出端连接所述后均衡电路的输入端。

所述的光探测器包括有连接在所述低功耗跨阻抗放大器的正向输入端的第二光电二极管，以及连接在所述低功耗跨阻抗放大器的反向输入端的第一光电二极管。

所述的低功耗跨阻抗放大器包括有：第一mos管、第二mos管、第三mos管和第四mos管，所述第一mos管和第二mos管的漏极均连接vdd电源，所述第一mos管和第二mos管的栅极各通过一个电阻连接vdd电源，所述第一mos管和第二mos管的源极分别构成输出端连接所述后均衡电路的输入端，所述第一mos管的源极还分别连接所述第三mos管的漏极以及第三电阻的一端，所述第三mos管的源极接地，所述第三电阻的另一端与所述第三mos管的栅极共同连接光探测器的输出端，所述第二mos管的源极还分别连接所述第四mos管的漏极以及第四电阻的一端，所述第四mos管的源极接地，所述第四电阻的另一端与所述第四mos管的栅极共同连接光探测器的输出端。

所述三级限幅放大器中的第一级放大电路和第二级放大电路结构相同，均是以二极管形式连接的mos管为负载的基本差分放大器，所述三级限幅放大器中的第三极放大电路包括有：第五mos管、第六mos管、第七mos管和第八mos管，所述第五mos管和第六mos管的漏极均连接vdd电源，所述第五mos管和第六mos管的栅极各通过一个电阻连接vdd电源，所述第五mos管和第六mos管的源极分别构成输出端分别连接所述双端转单端电路的输入端和直流电平偏移消除电路的输入端，所述第五mos管的源极还分别连接所述第七mos管的漏极以及第二电容的一端，所述第七mos管的源极通过接地电流接地，所述第二电容的另一端与所述第八mos管的栅极共同连接第二级放大电路的输出端，所述第六mos管的源极还分别连接所述第八mos管的漏极以及第一电容的一端，所述第八mos管的源极通过接地电流接地，所述第一电容的另一端与所述第七mos管的栅极共同连接第二级放大电路的输出端。

所述的后均衡电路包括有第九mos管、第十mos管、第十一mos管、第十二mos管、第十三mos管和第十四mos管，所述第九mos管和第十mos管的漏极均连接vdd电源，所述第九mos管和第十mos管的栅极各通过一个电阻连接vdd电源，所述第九mos管和第十mos管的源极分别构成输出端连接所述三级限幅放大器中的第一级放大电路的输入端，所述第九mos管的源极还连接第十一mos管的漏极，所述第十mos管的源极还连接第十二mos管的漏极，所述第十一mos管和第十二mos管的栅极分别构成输入端连接所述低功耗跨阻抗放大器和直流电平偏移消除电路的输出端，所述第十一mos管的源极和第十三mos管的漏极共同连接第三电容和第九电阻的一端，所述第十二mos管的源极和第十四mos管的漏极共同连接第三电容和第九电阻的另一端，所述第十三mos管和第十四mos管的栅极共同连接第一偏置电压，所述第十三mos管和第十四mos管的源极均接地。

所述的直流电平偏移消除电路包括有第十五mos管、第十六mos管和第十七mos管，所述第十五mos管和第十六mos管的漏极构成反馈输出端连接所述后均衡电路的输入端，所述第十五mos管和第十六mos管的栅极分别通过一个电阻连接所述三级限幅放大器的输出端，所述第十五mos管和第十六mos管的栅极还分别通过一个电容接地，所述第十五mos管和第十六mos管的源极连接所述第十七mos管的漏极，所述第十七mos管的源极接地，栅极连接第二偏置电压。

本发明的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片,集成了有源电感、负米勒电容补偿和后均衡技术提升带宽，同时引入了直流偏移消除技术保持电路稳定，整体采用标准的cmos工艺实现单片集成设计，实现在可见光光照环境下高速数据的接收机功能，同时具有低功耗、高带宽、集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。本发明具有如下优点：

1.基于新兴的可见光通信技术，实现了可见光环境下的数据接收功能，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。

2.可见光接收机集成化，芯片化。使用较为成熟的cmos工艺进行制造，代替现有的各部分分立器件系统结构，实现了高度集成化，减小体积，降低了成本。为研发微型可见光探测设备及大面积推广提供了可能。

3.在电路结构中集成了后均衡电路结构，使接收机的整体带宽得到了提升，提高了接收机的信息数据传输能力。为整体的可见光通信集成化系统进行大数据传输提供了基础。

4.本电路采用低功耗的设计方式，有效地控制整体光接收机芯片的能耗，与现有接收机相比仅需要提供毫瓦级别的能量便可工作，提高了接收系统的持续工作能力，显著减轻了在实际运用中的能源消耗问题。

5.在电路结构中集成了直流电平消除反馈网络，通过将后级的输出直流信号反馈回前级输入，消除了电路中的漂移电平，稳定了电路直流工作点，保证了芯片的稳定工作和功能正常。

综上所述，本发明的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片构成框图；

图2a是本发明中低功耗跨阻抗放大器的电路原理图；

图2b是图2a的小信号等效电路；

图2c是图2b的等效电路；

图3a是本发明中三级限幅放大器的前两极放大电路的电路原理图；

图3b是本发明中三级限幅放大器的第三极放大电路的电路原理图；

图4是本发明中后均衡电路的电路原理图；

图5是本发明中直流电平偏移消除电路的电路原理图。

图中

1：低功耗跨阻抗放大器2：后均衡电路

3：三级限幅放大器4：双端转单端电路

5：反向器6：直流电平偏移消除电路

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片做出详细说明。

如图1所示，本发明的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片，包括有依次串联连接的：将经过光探测器得到的电流信号转化为电压信号并进行放大的低功耗跨阻抗放大器1、用于改善光接收机的整体带宽性能的后均衡电路2、用于将前级放大器输出的电压信号放大的三级限幅放大器3、双端转单端电路4以及用作信号判决的反向器5，所述反向器5的输出端构成可见光通信接收机专用芯片输出端。还设置有起到反馈调节作用以稳定电路直流工作点的直流电平偏移消除电路6，所述直流电平偏移消除电路6的输入端连接所述多级限幅放大器3的输出端，所述直流电平偏移消除电路6的输出端连接所述后均衡电路2的输入端。

如图1所示，所述的光探测器包括有连接在所述低功耗跨阻抗放大器1的正向输入端的第二光电二极管d2，以及连接在所述低功耗跨阻抗放大器1的反向输入端的第一光电二极管d1。

如图2a所示，所述的低功耗跨阻抗放大器1包括有：第一mos管m1、第二mos管m2、第三mos管m3和第四mos管m4，所述第一mos管m1和第二mos管m2的漏极均连接vdd电源，所述第一mos管m1和第二mos管m2的栅极各通过一个电阻r1/r2连接vdd电源，所述第一mos管m1和第二mos管m2的源极分别构成输出端out1/out2连接所述后均衡电路2的输入端，所述第一mos管m1的源极还分别连接所述第三mos管m3的漏极以及第三电阻r3的一端，所述第三mos管m3的源极接地，所述第三电阻r3的另一端与所述第三mos管m3的栅极共同连接光探测器的输出端，所述第二mos管m2的源极还分别连接所述第四mos管m4的漏极以及第四电阻r4的一端，所述第四mos管m4的源极接地，所述第四电阻r4的另一端与所述第四mos管m4的栅极共同连接光探测器的输出端。低功耗跨阻抗放大器1可以提供低噪声，低功耗以及扩展带宽。

低功耗跨阻抗放大器的负载是一种较为经典的折叠式有源电感。它的电路结构非常简单，仅由一个nmos管和一个电阻组成。当电路的工作频率小于ft/2(ft为nmos管的截止频率)时，nmos管可简化为栅源电容cgs与受控源gmvgs的组合。此时，该折叠式有源电感可简化为图2b所示的小信号等效电路。以其半边电路为例，据图2b易推得其输入阻抗为：

zin＝(1+scgs3r1)/[gm3(1+scgs3/gm3)](1)

当fzero<f<fpole时，图2b所示的小信号等效电路可等效为图2c所示电路。其中，ls1、rs1和rp与r1和cgs3有如下关系式：

rs1＝r1/(gm3r1-1)(3)

rp1＝r1(4)

将该折叠式有源电感集成到前述基本跨阻前置放大器中，则可得图2a所示的低功耗跨阻抗放大器。在其输出端，第一mos管m1与第二mos管m2和第一电阻r1、第二电阻r2分别组成有源电感，它与负载电容(由第一mos管m1与第二mos管m2的漏源电容与下一级的输入电容相互并联组成)共同形成一个并联谐振回路。通过选择合适的第一电阻r1和第二电阻r2的值，可使该谐振回路形成的谐振峰恰好补偿原基本跨阻放大器的输出频率响应曲线，并获得最大的平坦频率响应和3db带宽。

所述三级限幅放大器3中的第一级放大电路和第二级放大电路结构相同，均是以二极管形式连接的mos管为负载的基本差分放大器。所述三级限幅放大器3中的第三极放大电路如图3所示，包括有：第五mos管m5、第六mos管m6、第七mos管m7和第八mos管m8，所述第五mos管m5和第六mos管m6的漏极均连接vdd电源，所述第五mos管m5和第六mos管m6的栅极各通过一个电阻r5/r6连接vdd电源，所述第五mos管m5和第六mos管m6的源极分别构成输出端out3/out4分别连接所述双端转单端电路4的输入端和直流电平偏移消除电路6的输入端，所述第五mos管m5的源极还分别连接所述第七mos管m7的漏极以及第二电容c2的一端，所述第七mos管m7的源极通过接地电流is接地，所述第二电容c2的另一端与所述第八mos管m8的栅极共同连接第二级放大电路的输出端，所述第六mos管m6的源极还分别连接所述第八mos管m8的漏极以及第一电容c1的一端，所述第八mos管m8的源极通过接地电流is接地，所述第一电容c1的另一端与所述第七mos管m7的栅极共同连接第二级放大电路的输出端。

图3展示了负米勒电容补偿技术的电路原理图(即三级限幅放大器3中第三级放大电路)。将米勒电容跨接在差分高速放大器的同相输入输出端之间，那么在高速放大器的输入和输出端就会出现负电容，通过负电容补偿正电容的方法，就能够有效的改善放大器的带宽。图中第七mos管m7和第八mos管m8为普通差分输入管，第五mos管m5和第六mos管m6则分别与电阻r5和电阻r6构成有源电感结构作为负载，第一电容c1和第二电容c2即为上述跨接在同相输入输出端的电容，它们通过放大器产生了负电容。

由图可知，负米勒电容补偿在输入端呈现的电容为：

cin＝(1-gmr)c(5)

通常增益gmr大于1，所以在输入端产生了一个负电容，能够有效的抵消晶体管m7和m8的栅源电容cgs，扩展放大器的带宽。

如图4所示，所述的后均衡电路2包括有第九mos管m9、第十mos管m10、第十一mos管m11、第十二mos管m12、第十三mos管m13和第十四mos管m14，所述第九mos管m9和第十mos管m10的漏极均连接vdd电源，所述第九mos管m9和第十mos管m10的栅极各通过一个电阻r7/r8连接vdd电源，所述第九mos管m9和第十mos管m10的源极分别构成输出端out5/out6连接所述三级限幅放大器3中的第一级放大电路的输入端，所述第九mos管m9的源极还连接第十一mos管m11的漏极，所述第十mos管m10的源极还连接第十二mos管m12的漏极，所述第十一mos管m11和第十二mos管m12的栅极分别构成输入端连接所述低功耗跨阻抗放大器1和直流电平偏移消除电路6的输出端，所述第十一mos管m11的源极和第十三mos管m13的漏极共同连接第三电容c3和第九电阻r9的一端，所述第十二mos管m12的源极和第十四mos管m14的漏极共同连接第三电容c3和第九电阻r9的另一端，所述第十三mos管m13和第十四mos管m14的栅极共同连接第一偏置电压bias，所述第十三mos管m13和第十四mos管m14的源极均接地。

由于可见光探测器和光接收机前端电路的带宽失配，光探测器通常会对光接收机前端电路的零极点产生影响，进而限制光接收机的带宽，减小了数据的传输速率。本发明采用后均衡电路2来补偿两者的带宽失配和探测器接收信号的窄带特性，可以显著改善光接收机的整体性能。即由于探测器的窄带特性，需要使用均衡器来对高频信号进行补偿。这里使用并联rc支路的电容退化技术，在尽量减小面积的基础上拓展了带宽。图中第十一mos管m11和第十二mos管m12为输入对管，第十三mos管m13和第十四mos管m14则为对称的尾电流源，第九mos管m9和第十mos管m10则分别与电阻r7和电阻r8构成有源电感结构作为负载，第三电容c3和第九电阻r9组成了rc谐振回路，形成了电容退化的效果。

途中均衡器的传输函数为：

其中rd为有源电感的等效电阻，gm1为第十一mos管m11的跨导，ωz1＝1/(r9c3)，ωp1＝[1+(gm1r9/2)]/(r9c3)，ωp2＝1/(rdcl)，这里cl为电路负载电容。需要设计ωp1接近ωz1，以此来实现带宽的提升。

本发明的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片中，由于电路复杂，级联电路模块较多，因此极容易发生电路直流电平漂移，也即静态工作点的偏移，导致整个电路工作都不稳定，甚至无法工作。因此本发明在其中加入了直流电平偏移消除电路6，以消除工作点电平漂移，稳定电路。主要由低通滤波器构成成，接连在限幅放大器输出和均衡器输入之间，利用低通滤波器从限幅放大器的输出提取出直流电平，输送回均衡器的输入端，起到反馈调节的作用，以稳定电路直流工作点。

如图5所示，所述的直流电平偏移消除电路6包括有第十五mos管m15、第十六mos管m16和第十七mos管m17，所述第十五mos管m15和第十六mos管m16的漏极构成反馈输出端连接所述后均衡电路2的输入端，所述第十五mos管m15和第十六mos管m16的栅极分别通过一个电阻r10、r11连接所述三级限幅放大器3的输出端，所述第十五mos管m15和第十六mos管m16的栅极还分别通过一个电容c5、c6接地，所述第十五mos管m15和第十六mos管m16的源极连接所述第十七mos管m17的漏极，所述第十七mos管m17的源极接地，栅极连接第二偏置电压vb。

本发明的直流电平偏移消除电路，采用带有rclpf的单反馈放大器来提取输出端的偏移电压，再将其送回输入端以进行反馈校正。如图5所示，电阻r10和电容c5、电阻r11和电容c6分别构成了两路低通滤波器；第十五mos管m15、第十六mos管m16和第十七mos管m17则构成反馈放大器，其中第十五mos管m15和第十六mos管m16是输入对管，第十七mos管m17是电流源。它们共同组成了反馈网络，提取出限幅放大器的输出直流电压，注入后均衡电路输入端以校正其输入偏置，达到消除直流偏移的目的。

本发明的带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片的工作原理：所接收到的可见光信号以微弱的电流形式从两个pin光电二极管流出，进入低功耗跨阻抗放大器中，把电流信号转化为电压小信号。随后经过后均衡电路进行高频补偿，再经过三级限幅放大器进行信号放大，将得到的较大摆幅电压信号通过双端转单端电路转换成单端信号，以方便后面数字模块处理。由于探测器自身结电容往往相对较大，加上电路各级产生的寄生影响，此时所得到的信号已经产生变形，不利于后端数字模块进行调制处理，因此在后均衡后加入反相器，作为简单比较器，判决高低电平，对波形进行处理，达到调整波形的目的，使输出恢复为数字电压水平的原有信号，完成可见光信号的传输目的。输出端也可接入示波器来观测所接收到的信号。为了维持电路稳定，尤其是保证各级电路静态工作点不会因为环境和制造而变动，导致电路不能正常工作，本发明还引入了直流电平偏移消除电路。