CN106375009A - 一种跨阻补偿式可见光通信接收机 - Google Patents

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毛陆虹
闫冬
谢生
肖谧
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Tianjin University
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Abstract

一种跨阻补偿式可见光通信接收机，包括依次连接的：用于将输入的可见光信号转换成电流信号的可见光检测器、用于将可见光检测器输出的电流信号转换成电压信号的跨阻前置放大器，用于将跨阻前置放大器输出的电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平的限幅放大器以及用于提供数字电压水平的电压信号的输出缓冲级，其中，所述跨阻前置放大器的输入端依次通过一个反馈电阻和一个反馈电感连接到跨阻前置放大器的输出端，所述输出缓冲级的输出构成输出端。本发明采用了标准CMOS工艺，实现了可见光接收机带宽的展宽，使可见光通信***向集成化迈出重要一步。本发明可将光通信***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。

Description

一种跨阻补偿式可见光通信接收机
技术领域
本发明涉及一种通信接收机。特别是涉及一种采用CMOS工艺实现可见光波段的接收机集成的跨阻补偿式可见光通信接收机。
背景技术
可见光通信（Visible Light Communication，简称VLC），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。白光LED现在已经被广泛应用于信号发射，显示照明等领域，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。利用装有收发信号终端的电脑及移动终端，只要在灯光照到的地方，就可以随时下载和上传高清图像和动画等数据。
目前，VLC***都是由分立的光学器件和分离的电学器件或者多个通用集成电路组装而成的，这种***体积巨大，组装调制复杂，造价昂贵，这使得可见光通信只能停留在实验室和高端应用场合阶段，无法广泛的普及。随着可见光通信应用的普及，可见光通信专用的集成电路研究成为了研究的热点。高集成度可见光通信芯片具有高速率、高可靠性、小体积、轻重量以及低成本的优势，可以加速可见光通信应用的步伐。
虽然VLC技术已经成为当前国际研究的热点，但是VLC技术的发展也存在着一些限制因素，其中最主要的挑战在于信号传输速率的提升。可见光探测器有限的带宽大大限制了可见光通信***的速率，致使VLC***无法短时间内在日常生活中投入使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高调制带宽，从而提高通信速率的跨阻补偿式可见光通信接收机。
本发明所采用的技术方案是：一种跨阻补偿式可见光通信接收机，包括依次连接的：用于将输入的可见光信号转换成电流信号的可见光检测器、用于将可见光检测器输出的电流信号转换成电压信号的跨阻前置放大器，用于将跨阻前置放大器输出的电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平的限幅放大器以及用于提供数字电压水平的电压信号的输出缓冲级，其中，所述跨阻前置放大器的输入端依次通过一个反馈电阻和一个反馈电感连接到跨阻前置放大器的输出端，所述输出缓冲级的输出构成输出端。
所述的反馈电阻和反馈电感是由螺旋状金属条构成，所述螺旋状金属条的电阻值等于所述的反馈电阻的电阻值，所述螺旋状金属条的电感值等于所述的反馈电感的电感值，所述螺旋状金属条的一个引出电极连接所述跨阻前置放大器的输入端，所述螺旋状金属条的另一个引出电极连接所述跨阻前置放大器的输出端。
本发明的一种跨阻补偿式可见光通信接收机，采用了标准CMOS工艺，实现了可见光接收机带宽的展宽，使可见光通信***向集成化迈出重要一步。本发明可将光通信***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。本发明具有如下突出的优点：
1、本发明的跨阻补偿式光接收机采用具有频率补偿功能的反馈网络代替了通常的跨接在跨阻前置放大器的输入端与输出端之间的电阻，该跨阻反馈网络大大提高了可见光接收机的带宽，从而使可见光接收机具备更大的速度到灵敏度折衷裕量，提高了可见光接收机的整体性能。
2、本发明的跨阻补偿式可见光接收机与标准CMOS工艺完全兼容的，其即可采用射频标准CMOS工艺来实现光电单片集成，也可采用硅基标准CMOS工艺来实现光电单片集成。采用标准CMOS工艺，使可见光通信***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***，实现了***的高度集成化，减小了***体积，降低了成本。为可见光通信的芯片行业注入新的活力。
3、与现有的可见光接收机相比，本发明的跨阻补偿式光接收机未导致任何成本的增加。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。
附图说明
图1是本发明一种跨阻补偿式可见光通信接收机的构成框图；
图2是本发明中由反馈电阻Rf和反馈电感Lf组成的反馈网络的版图结构俯视图；
图3是本发明中由反馈电阻Rf和反馈电感Lf组成的反馈网络的版图的等效电路模型。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种跨阻补偿式可见光通信接收机做出详细说明。
本发明的一种跨阻补偿式可见光通信接收机，提供的是一种可与标准CMOS工艺完全兼容的、并可实现单片集成的可见光接收机。
如图1所示，本发明的一种跨阻补偿式可见光通信接收机，包括依次连接的：用于将输入的可见光信号转换成电流信号的可见光检测器PD、用于将可见光检测器PD输出的电流信号转换成电压信号的跨阻前置放大器TIA，用于将跨阻前置放大器TIA输出的电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平的限幅放大器LMA以及用于提供数字电压水平的电压信号的输出缓冲级OB，其中，所述跨阻前置放大器TIA的输入端依次通过一个反馈电阻Rf和一个反馈电感Lf连接到跨阻前置放大器TIA的输出端，所述输出缓冲级OB的输出构成输出端out，能够提供足够大的驱动能力和实现与后续电路或测试设备的匹配。
除跨阻前置放大器外，本发明一种跨阻补偿式可见光通信接收机中的各个单元与通常的光接收机中的各个单元的电路结构和功能都是相同的。它们的唯一不同之处在于：在该可见光接收机中的跨阻前置放大器部分，用由反馈电阻Rf和反馈电感Lf构成的串联电路代替了通常的、跨接在跨阻前置放大器的输入端与输出端之间的电阻。对于跨接电阻阻值较大的跨阻前置放大器，其小信号跨阻增益与跨接电阻的阻值是成正比的。实际上，该跨接电阻也是一个反馈网络。若对此反馈网络的小信号等效阻抗特性进行频率补偿，提高其等效的高频小信号阻抗值，则可改善跨阻前置放大器的跨阻增益的频率特性，提高跨阻前置放大器的带宽。由于在通常的跨阻反馈网络中加入了一个反馈电感Lf，而反馈电感的阻抗值与频率是呈线性关系增大的，因而跨阻反馈网络的等效阻抗值也频域的增加而线性增加。尤其是在高频域，跨阻反馈网络的等效阻抗值的增加量已可与其低频量相比拟。故反馈电感Lf的增加可有效减弱跨阻前置放大器的跨阻增益在中高频由于极点影响而下降的现象，进而大大提高可见光接收机的带宽。
由于单片标准CMOS可见光通信集成接收机已是目前学者们研究的一个热点问题，它是可见光接收机的未来发展趋势。所以，能否采用标准CMOS工艺来实现本发明的可见光接收机的光电单片集成也是非常重要的。对于可见光接收机中除电感外的其它元器件，目前已均可采用标准CMOS工艺来实现，因而，限制本发明的可见光接收机的标准CMOS实现的要点在于电感的制造。通常，射频标准CMOS工艺均提供了平面螺旋电感工艺，故可采用射频标准CMOS工艺来实现该可见光接收机光电单片集成。此外，本发明也提出了一种利用普通的标准CMOS工艺来同时制造和实现反馈电阻Rf和反馈电感Lf的方案，
所述的反馈电阻Rf和反馈电感Lf，使本发明的跨阻补偿式可见光通信接收机，可以采用带平面螺旋电感的射频标准CMOS工艺来实现光电单片集成。所述的跨阻补偿式可见光通信接收机也可采用普通的标准CMOS工艺来实现光电单片集成。利用螺旋状的金属条来同时实现反馈电阻Rf和反馈电感Lf，如图2所示，所述的反馈电阻Rf和反馈电感Lf是由螺旋状金属条构成，所述螺旋状金属条的电阻值等于所述的反馈电阻Rf的电阻值，所述螺旋状金属条的电感值等于所述的反馈电感Lf的电感值，所述螺旋状金属条的一个引出电极IN1连接所述跨阻前置放大器TIA的输入端，所述螺旋状金属条的另一个引出电极IN2连接所述跨阻前置放大器TIA的输出端。这样，由反馈电阻Rf和反馈电感Lf组成的反馈网络的制造便简化成了一个螺旋状金属条的制作，并且螺旋状金属条的两个引出电极即为该反馈网络的两个端口。在制作中，该螺旋状金属条所用的金属一般选择最顶层金属，以最大限度地减小其寄生电容。
综上所述，本发明的一种跨阻补偿式可见光通信接收机，通过在通常的跨接电阻中串联了一个电感实现了对可见光接收机的频率响应特性的补偿，并大大提高了可见光接收机的带宽，从而使可见光接收机获得了更大的速度到灵敏度折衷裕量，提升了可见光接收机的整体性能。

Claims (2)

1.一种跨阻补偿式可见光通信接收机，其特征在于，包括依次连接的：用于将输入的可见光信号转换成电流信号的可见光检测器(PD)、用于将可见光检测器(PD)输出的电流信号转换成电压信号的跨阻前置放大器(TIA)，用于将跨阻前置放大器(TIA)输出的电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平的限幅放大器(LMA)以及用于提供数字电压水平的电压信号的输出缓冲级(OB)，其中，所述跨阻前置放大器(TIA)的输入端依次通过一个反馈电阻(Rf)和一个反馈电感(Lf)连接到跨阻前置放大器(TIA)的输出端，所述输出缓冲级(OB)的输出构成输出端(out)。
2.根据权利要求1所述的一种跨阻补偿式可见光通信接收机，其特征在于，所述的反馈电阻(Rf)和反馈电感(Lf)是由螺旋状金属条构成，所述螺旋状金属条的电阻值等于所述的反馈电阻(Rf)的电阻值，所述螺旋状金属条的电感值等于所述的反馈电感(Lf)的电感值，所述螺旋状金属条的一个引出电极(IN1)连接所述跨阻前置放大器(TIA)的输入端，所述螺旋状金属条的另一个引出电极(IN2)连接所述跨阻前置放大器(TIA)的输出端。
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