（微电子学与固体电子学专业论文）红外收发集成电路设计.pdf

浙江大学硕士学位论趸 摘要 红外数据通讯是一种短距离无线通讯技术，采用点对点传输方式，工作波 长为8 5 0 n m 9 0 0 n m ，传输距离为o l m ，发射角度为3 0 。锥角以内，最高传输 速率达1 6 m b p s 。红外收发器是一种红外数据通讯产品，具有成本低廉、连接力 便、简单易用、结构紧凑和传输速率快等特点，在小型移动设备中有着广泛的 应用。但是，在国内目前还没有自主垃计开发的该类产品。 本课题的主要任务是通过对传输速率为1 1 5 2 k b p s 的进口红外收发器进行 反向解剖分析，然后根据国内现有的b i c m o s 工艺条件，对红外收发芯片进行重 新设计、流片、测试，达到预期的设计要求。这是为今后进行红外收发器的正 向设计，积累经验，做些预演性 作。 硕士沦文的内容共分五章。第簟简要介绍红外数据通讯技术基础和红外 收发器概况：第二章是对红外收发器h s d l - 3 2 0 】的篇剖分析：第二章阐述红外 收发集成电路的反向设计；第四章介绍对流片结果s b 3 2 0 t 的测试情况：第五章 探讨红外收发集成电路中部分结构的改进和设计：最后还对整篇论文作了简短 的回顾和展望。 关键诃：红外数据协会红外收发器 l 15 2 k b p sb i c m o s 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n f r a r e dd a t ac o m m u n i c a t i o ni saw i r e l e s s t e c h n i q u e f o r s h o r t r a n g e c o m m u n i c a t i o n i ti m p l e m e n t sp o i n t t o p o i n td a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h en e a r i n f r a r e dr a y s t h ew a v e l e n g t hi s8 5 0 n m 9 0 0 n m t h et r a n s m i t t i n gd i s t a n c ei s0 1m a n dt h ea n g u l a rr a n g ei s3 0 。i l l u m i n a t i o nc o n e n o w a d a y st h ed a t ar a t eh a s a l r e a d y r e a c h e d1 6 m b p s i n f r a r e dt r a n s c e i v e ri sap r o d u c to ft h i sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hh a sa l o to fa d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t c o n v e n i e n tc o n n e c t i n ga n da p p l i c a t i o n ，c o m p a c t s t r u c t u r e ，f a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d ，a n ds oo n t h e r e f o r ei tg e t sc o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o ni nt h ep o r t a b l ee q u i p m e n t s h o w e v e r , t h e r ei ss t i l ln op r o d u c to no u r o w n d e s i g ni n t e r i o r l y t h em a i nt a s k so ft h es u b j e c ta r ea n a l y s i so fa ni m p o r tt r a n s c e i v e rw h i c hc o u l d t r a n s m i td a t aa t i 1 5 2 k b p sa n dr e d e s i g no ft h ec h i po fi n f r a r e dt r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n gi n t e g r a t e dc i r c u i t ，t a p i n go u tb yb i c m o st e c h n o l o g ya n dt e s t i n g t h i si s e x p e r i e n c ea n dp r e v i e wf o rt h ed e s i g no fa t r a n s c e i v e ri nt h ef u t u r e t h ea r t i c l ei sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h e i n f r a r e dd a t ac o m m u n i c a t i o na n da l li n f r a r e dt r a n s c e i v e r t h es e c o n dc h a p t e rg i v e s a n a i y s i so fat r a n s c e i v e rh s d l - 3 2 0 1 t h et h i r dc h a p t e rs u p p l yr e d e s i g no ft h ec h i p o nb a s i so ff o r m e ra n a l y s i s t h ef o u r t hc h a p t e ri n c l u d e st h et e s to ft h et a p e do u tc h i p n a m e ds b 3 2 0 1 t h el a s tc h a p t e rg i v e sd e s i g ni nt h es t r u c t u r eo ft h ei n f r a r e d w a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gi n t e g r a t e dc i r c u i t a tl a s t t h e r ei sab r i e fr e v i e wa n d p r o s p e c to ft h et o t a lt h e s i s k e y w o r d s ：k d at r a n s c e i v e r11 5 2 k b p sb i c m o s h 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 本章首先阐述了红外收发集成电路设计课题的背景和意义然后简要介绍了红外数据通 讯技术的特点和应用领域，以及红外收发器产品的特点、国内外现状和发展趋势最后根据 红外收发器产品在国内的市场前景确立了课题的设计定位。 1 1 课墨的背景和意义 红外收发器产品具有成本低，小型化，传输速率快，点对点安全传输，不受 电磁干扰等特点，可以实现信息在不同产品之间快速、方便、安全地交换与传送， 在短距离无线传输方面拥有十分明显的优势。 红外收发器产品在可携式产品中的应用潜力很大。目前，全世界有l 亿5 千 万台设备采用红外技术，比如有9 5 的笔记本电脑就安装j ，红外收发器接口； 现在很多手机上也配置红外收发器接口，而且随着交换的数据量变大，红外数据 通讯将使手机的数据传输越来越方便。而在许多应用场合还没有得到应有的开发 或者还没有进入市场化阶段，比如数码相机等产品上的应用现在还处于未成熟阶 段，离市场化还有一定距离。随着技术成熟、成本下降，红外收发器在短距离通 讯领域必将得到更广泛的应用。 根据红外收发器产品的特点和市场前景，以及目前国内还没有微电了公司 开发研制该类产品的情况，杭州士兰微电子公司认为红外收发器是适合该公司开 发的产品，希望我们浙江大学微电子所能为该产品的研发做一些预演惟、试探性 的工作，为此设立“红外收发集成电路设计研制”项目，由双方合作完成该项目。 在该项目中，我们主要进行红外收发集成电路设计、芯片测试和应用电路设计， 士兰微电子公司主要负责流片、封装和提供相关设备。 1 2 红外数据通讯技术简介 红外数据通讯是一种采用红外光进行无线数据传输的通讯技术，是设备之间 连接线的替代。 红外数据通讯一般采用红外光波段内的近红外线，波长在0 7 5 u m 至2 5 u r n 之 浙江大学硕士学位论文 间。但为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外数据协会 ( i r d a ) 规定红外数据通讯所采用的光波波长范围限定在8 5 0 h m 至9 0 0 h m 之内。 由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力很差，所以红外数据通讯更适 合应用在短距离无线通讯的场合，进行直线的点对点数据传输。它的传输距离为 o i m ，发射角度为3 0 。锥角以内。这样的短距离、小角度、点对点的传输特性 也提供了安全保证：11 。 红外数据通讯是通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的 数据收发，传输较快，目前的传输速率最高已经达1 6 m b p s 。 红外数据通讯产品有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点， 因此在小型移动设备中获得了广泛的应用。这些设备主要有：( 1 ) 手机通讯产品： ( 2 ) 数据通信产品，如笔记本电脑、台式p c 机以及打印机等外围设备；( 3 ) 数 字图象产品，如数码相机、光学成像打印机：( 4 ) 医疗器械以及工业数据采集器： ( 5 ) 网络接入设备，如调制解调器等。 在红外通讯技术发展早期，存在好几个红外通讯标准，不同标准之间的红外 设备不能进行红外通讯。为了使各种红外设备能够互联互通，1 9 9 3 年，由二十 多个大厂商发起成立了红外数据协会( i r d a ) ，统一 r 红外通讯的标准，这就是 目前被广泛使用的红外数据通讯协议及规范，也称为i r d a 标准 2 。 红外数据通讯协议( 见附录1 ) 包括三层强制性协议：物理层规范，链接建 立协议和链接管理协议。其中第一层是物理层，规定传输的特性、数据的编解 码，制定红外数据通讯硬件设计上的目标和要求；第二层是建立可靠的链接，第 三层是提供多种服务的管理，这两层为软件层，负责对链接进行设置、管理和维 护。而在这三个协议基础上，针对一些特定的红外数据通讯应用领域，i r d a 还 陆续发布了一些更高级别的红外协议，称为可选择协议 3 。 1 3 红外收发嚣产品概况 红外收发器是红外数据通讯中必不可少的终端，其完成r 通讯中的数据电脉 冲和红外光脉冲两个信号之间的相互转换。下面就介绍了该产品的结构和类型、 国内外现状以及发展趋势，并通过部分产品的调研了解了国内的市场前景。 2 浙江犬学硕士学位论迂 1 3 1 红外收发器产品的结构和类型 红外收发器产品通常由一个红外发射二极管( i r e d ) 、一个p i n 型红外光敏 二极管( p d ) 以及一块专用红外收发集成电路芯片( a s i c ) 封装而成，其内部结 构图如图1 1 。图中左边是i r e b 管，中间是芯片，右边是p d 管。 圈1 1 红外收发器的内部结构 根据相应的i r d a 标准，目前的红外收发器按照工作模式和传输速率可分为 四类：串行模式( s i r ，s e r i a li n f r a r e d ) ，最高速率为1 1 5 2 k b p s ：巾速模式 ( m i r ，m e d i u m - s p e e di n f r a r e d ) ，最高速率为0 5 6 7 m b p s 和【1 5 2 m b p s ；高速 模式( f i r ，f a s t s p e e di n f r a r e d ) ，最高速枣为4 m b p s ；超高速模式( v f i r ， v e r yf a s ts p e e di n f r a r e d ) ，最高速率为1 6 m b p s 。 另外，按照芯片功耗的大小又可分为低功耗型和标准型两类。低功耗型收发 器通常使用3 v 电源，传输距离较近，为o 2 0 c m ( 3 0 c m ) ；标准型收发器通常使 用5 v 电源，传输距离较远，0 l m 。 1 3 2 红外收发器产品的国内外现状 自1 9 9 3 年i r d a 成立至今，红外数据协会的会员已经发展到1 5 0 多个，当今 在i t 业和通讯业叱咤风云的大公司几乎都在其中，由此可见i r d a 标准已经获得 了业界的广泛认同和支持。目前已经开发生产出来的具备红外通讯能力的设备已 有一百种之多，红外模块的年装机量已经达到了一亿五千万套。尽管现在有了r 同 样是近距离无线通讯的蓝牙技术，但以红外通讯技术低廉的成本和广泛的兼容性 的优势，红外数据通讯仍旧会在将来很长的段时问内在短距离的无线数据通讯 领域扮演重要的角色。 浙z 上大学碗士学位论文 1 3 1 红外收发器产品的结构和类型 纭外收发器产品通常由一个红外发射二极管( i r e i ) ) 、一个p i n 型红外光敏 二极管( p d ) 以及一块专用红外收发集成电路芯片( a s i c ) 封装而成，其虎部结 构图如图ll 。图中左边是i r e d 管，中间是芯片，右边是p d 管。 图il 红外收发器的内部结构 根据相应的i r d a 标准，目前的红外收发器按照i 。作模式瓤传输速率可分为 四类：串行模式( s i r ，s e r i a li n f r a r e d ) ，最高速率为52 k b g s ；中遮模式 ( m i r ，m e d i u ms p e e di n f r a r e d ) ，最高速率为05 6 7 1 * h p s 和1 1 5 2 , i b p s ：高速 模式( f i r ，f a s t s p e e di n f r a r e d ) ，最高速率为4 m b p s ；超高速模式( v f i r ， v e r yf a s ts p e e di n f r a r e d ) ，最高速率为1 6 y b p s 。 另外，按照芯片功耗的大小义可分为低功耗型和标准型两类。低功耗型收发 器通常使用3 v 电源，传输距离较近，为o - - 2 0 c m ( 3 0 e m ) ：标准型收发器通常使 用5 v 电源，传输距离较远，o 1 m 。 1 3 2 红外收发器产品的国内外现状 自1 9 9 3 年i r d a 成立至今，红外数据协会的会员已经发展到1 5 0 多个，当今 在i t 业和通讯业叱咤风云的大公司几乎都在其中，由此可见i r d a 标准已经获得 r 业界的广泛认同和支持。目前已经开发生产出来的具备红外通讯能力的、嫂各已 有一百种之多，红外模块的年装机量已经达到了一亿五千万套。尽管现在有r 蚓 样是近距离无线通讯的蓝牙技术，但以红外通讯技术低廉的成本和厂泛的兼容性 的优势，红外数据通讯仍旧会在将来很长的一段时间内在短距离的无线数据通讯 领域扮演重要的角色。 领域扮演重要的角色。 浙江大学硕士学位论文 根据从i r d i 协会的资料表明，由于圉外公司的红外收发器产品起步较早 已形成了红外收发器的配套生产产业链( 见表1 1 ) 。 表1 1国外收发器产品的产妇结构 矗蕉麟嶙 精跳鞲两辊瞧 上 l 他t c l 辩 l 弋涮卜- 圳1 iu i s 鼬t ，l l 咖坪l i 一c l 峨，t 哪t 啡m ，；l 鞲翎姐il 糟ni 巾 i 咖l j 盈魄i js t 觯m ，l j 埘t i 嘲e tj 墉潦 ) k “s m ，l ，l c 孽 s 蛳坶 湘刊i z 蚓l ，n n 7 恤e t 蝴，l l 黼蚶魄f r k 口醚 l 一，泓i游 障f 同h l 埘- 触；t 1 弧t e l 嘣l l 搬 i 蛩誉溅i 同j 卜t r 一1 鳓耵忙r ；一l l r d l 姐t 留sf i - * 觚ll 如m t 。如t n i 隧 嚣蕞 埘 吲剧倒恻型幽恻 慝瑟目 从袁1 1 中看出，国外收发器产品的产业结构由以下几个部分组成：s h a r p 等公司主要提供红外发光二极管和光敏二极管：a g il e n t 等公司主要设计制作红 外收发芯片设计：i n f i n e o n 等公司主要从事红外收发器封裟：i b m 、m i c r o s o f t 等公司则推出红外收发器的驱动程序和红外通讯软件。其中，如a g i l e n t 、v is h a y 等公司还具有生产红外收发器系列产品的能力，而i b m 、h p 等些大公司则专门 为自己的公司产品配备红外收发器。 根据台湾光电科技工业协会( p i d a ) 的资料表明 4 1 5 ： 6 ，在台湾地区也 形成这样一批红外收发器产品的生产厂家和公司，但在大陆地区则只有些电予 器件销售公司在做这些国际公司和台湾公司的产品代理。据市场调研了解到，目 前国内还没有哪家微电子公司开发研制具有自主产权的该类产品。 4 浙江_ = 学硕士学位论芟 1 3 3 红外收发器产品的发展趋势 在各种红外收发器产品中，虽然传输速率、传输距离等特性有所不同，但红 外收发器产品一真朝着提高传输速率，增加传输距离，降低功耗，扩火发射接收 角度等方面发展( 如图1 2 ) 。特别是随着技术发展和成熟，传输方式正胡向点 对多点( 广域) 方向发展。因此，可以预测红外收发器产品的应用前景还有更大 的开拓空间。 图1 2 红外收发器产品的发展趋势 1 3 4 红外收发器产品的市场前景 目前，国内市场上所用的红外收发器主要有a g i l e n t 、h p 、i b m 、r o h m 、 s i e m e n s 、v i s h a y 、e v e r l i g h t 、i n f i n e o n 等公司生产的系列产品。我们收集其中 六家公司的1 8 个红外收发器 7 ：，通过比较和分析了解了目前该产品在同内的市 场前景，这为我们课题的电路设计定位提供r 参考。 这些产品的调研结果主要包括以下几个方面。 一是在传输速率方面，国内应用的红外收发器主要还是s i r ( 1 1 5 2 k b p s ) 、 m i r ( 1 1 5 2 m b p s ) 、f i r ( 4 m b p s ) 这三种传输速率的产品；而v f i r ( i 酬b p s ) 产 品，像v i s h a y 公司的t f d u 8 1 0 8 ，目前应用得很少。 二：是在传输距离方面，低功耗产品一般用于2 0 c m 3 0 c m 近距离数据传输， 标准功耗产品的传输距离为1 皿左右，增强型产品所能传输的距离较远，为3 m 8 m 。 5 浙江大学硕上学位论文 三是往电源电压方面，产品可以分为三类：低工作电压类( 2 4 - - 3 6 v ) ， 采用低功耗型器件：宽电源电雎类( 2 4 5 5 v ) ，这样可同时适用于：【作电压 为3 v 和5 v 的场合；双电源供电类：仅提高发光管i r e d 的电源电压，而不提高红 外收发芯片的电源电压，这样可以提高传输距离却不增加芯片的功耗。 四是在通讯协议方面，s i r 、m i r f i r 产品分别执行i r d a l 2 标准、1 3 标准， 为低功耗器件；f i r 还采用了h p s i r ，s h a r pa s ka n dt vr e m o t ec o n t r o 等协 议规范，增加传输距离。 五是在红外收发芯片的制造工艺方面，不同厂家在不同时期采用1 i 同的i 艺。早期有双极型工艺，后来用c m o s ：k 艺，随着半导体制造技术提高，近些年的 红外收发器产品的厂家都趋向f 采用b i c m o s 5 2 艺。不只是高速的产品，低速的也 都采用这种工艺。 六是在应用领域方面，红外收发器主要应用在手机通讯产品，数据通讯产 品，数字图象产品，医疗器械以及工业数据采集器等领域；传输速率越高的红外 收发器在以上几个领域中的应用产品就越多。 在这些产品中，a g i l e n t 、vjs h a y 公司的红外收发器产品相对其他厂家来说 比较突出。这两家公司都有一系列的产品，而且还都有相对应的红外接口芯片( 如 红外编解码芯片) ；产品都执行低功耗的i r d a 标准；红外收发芯片也都采用了 b i c m o s a 2 艺；v i s h a y i j i 在产品的封装尺寸上朝着小型化方向发展，最小的达到 1 9 r a m ( h ) 3 1 m m ( w ) 6 m m ( l ) 。 1 4 课囊的设计定位 经过对红外收发器产品的市场调研发现，目前应用比较多的是传输速率为 1 1 5 2 k b p s 、1 m b p s 、4 m b p s 的产品，而且一个趋势是采用工作电压为3 3 v 的低 功耗型产品。另外，杭州士兰微电子公司在下沙开发区有一条b i c m o st 产线， 具备试制和流片生产的基本条件。所以该公司和我们微电子所讨论决定，在红外 收发集成电路设计研制项目中，初步设计的目标定位在传输速率为l1 5 2 k b p s 的 收发芯片，其传输距离为2 0 c m 3 0 c m ，工作电压为3 3 v ，制造工艺为b i c m o s ： 然后在此基础上再向提高传输速率、增大传输距离两个方面发展，将来设计 h 一 系列的芯片，作为该公司的一类产品或者作为一个模块应用到系统电路巾。 6 浙 大学硕十学位论文 本人在研究生阶段的课题主要任务是完成项目中初步设计目标，即通过对传 输速率为1 1 5 ，2 k b p s 的红外收发器h g d l 一3 2 0 1 进行反向解剖分析，然后根据= 卜兰 微电子公司的b i c m o s 工艺条件，对红外收发芯片进行重新设计、流片、测试， 达到预期的设计要求。这是为今后进行红外收发器的正向设计，积累经验，做些 预演性工作。 7 浙江夫学硕士学位论文 第二章红外收发器产品的反向分析 本章主要是对红外收发器h s d 一3 2 0 l 的反向分析首先简要介绍了该产品的特性和r 作 原理以及内部结构，然后通过模拟对芯片的各个模块电路进行结构分析，最后是时芯片版图 蛉特点徼了简要分析。 2 。1h s d l 一3 2 0 1 简介 h s d l 一3 2 0 1 是a g i l e n t 公司的红外收发器产品 8 j ，其结构框图如图2 l 。该 产品有八个管脚，包括：发送数据的输入端t x d 、接收数据的输出端r x d ， f r e d 管的电v l e d ，关断信号输入端s d 以及芯片的电源, v c c 、地线g 和模拟地a g n d ， 还有一个测试管脚n c 引出。 图2 1h s d l 一3 2 0 l 的结构框图 h s d l 一3 2 0 i 的主要特性如卜： ( 1 ) 传输速率：2 4 k b p s i 1 5 2 k b p s ( 2 ) 传输距离：2 0 c m 3 0 e m ( 3 ) 红外标准：i r d a i 2 ( 4 ) 工作电压：2 7 v 3 6 v ( 5 ) 应用场合：手机、笔记本电脑等无线数据传输 h s d l 一3 2 0 1 在红外数据通讯时采用半双工( s e m i d u p l e x ) 方式，即一个收发 端口可以发送或接收数据，但同一时刻该端u 只允许单方向发送或者接收数据。 其工作方式见表2 1 ，叙述如下： 浙j 1 ：大学硕士学位沦文 ( 1 ) 启动或关闭：置s d 端为低电平时，器件进行数据的发送和接收：置s d 端 为高电平，则器件被关断： ( 2 ) 发送数据：当发送数据1 时，t x d 端为高电平，则i r e 管导通；当发送数 据0 时，t x d 端为低电平，则i r e d 管截止； ( 3 ) 接收数据：当p d 管没有接收到红外信号时，r x d 端保持高电、h 输出数据 1 ：当侦测到红外信号时，r x d 端则变为低电平，输出数据o 。 表2 1h s d l 一3 2 0 1 的丁作方式 s dt x dl e dr e c e i v e rr x d h i g h o nd o n tg t t r en o t v a l 涵 l o wi r d as i g n a ll o w l o wo 饪 n os i g a l a l h i 曲 n i g h d 0 1 1 lc a r eo 行d o n te 凇 珏i g h 2 2h s d l 3 2 0 1 内部结构 红外收发器h s d l - 3 2 0 1 的内部结构如图2 2 所示。由于该产品是将内部芯片 和红外发光管、红外光敏管封装在一起，虽然其内部芯片有t 1 个p a d ，但产品 最终引出了8 个管脚，图中显示t 色们之间的对应关系。 圈2 2h s d l 一3 2 0 1 的内部结构 由对h s d l 一3 2 0 1 内部芯片的版图进行了拍照，以1 ：5 0 0 的比例拍出了w e l l ( 阱) 、p o l y ( 多晶硅) 、a l ( 一铝) 、a 1 2 ( 一二铝) 、a 1 3 ( 三铝) 五层的电子照片。 然后从电子照片中提取出电路，根据版图分析和电路功能将整个电路划分成模 块，得到如图2 3 的电路结构框图。 9 浙江大学硕上学位论文 t x d 霁e 0 一 一 卜1 l r e ：e r e n c ee l 图2 3h s d l 一3 2 0 l 的电路结构框图 从图中可以看出，整个电路主要由基准源( r e f e r e n c e ) 、发送电路 ( t r a n s m i t t e r ) 、接收电路( r e c e i v e r ) 三个部分组成。各个部分电路介绍如卜： ( 1 ) 基准源：为接收部分的前置放大电路、后置放大电路、转换电路和比较器， 以及发送部分的驱动电路提供偏置； ( 2 ) 发送电路：要发送的信号从t x d 端输入后经过保护电路( s t u c k o np l o t e c t c i r c u i t ) ，再控制驱动电路( d r i v e r ) ，为i r e d 管提供驱动电流： ( 3 ) 接收电路：p d 管在偏置电路( b i a sc i r c u i t ) 提供的电压p d f ，将红外光 信号转变为电流信号，从p d + 管流入前置放大电路( p r e a m p l i f i e l l ) 并转换 为电压信号，经过后置放大( p o s t a m p l i f i e r ) ，然后由比较器( c o m p a r a t o r ) 输出单端信号，再通过整形( s h a p i n gc i r c u i t ) 得到方波，最后进行脉宽 调整( r e g u l a t o r ) ，增加驱动能力后( d r i v e r ) ，从r x d 端输出。 2 3 电路模拟和结构分析 先介绍了i r e d 管和p d 管在模拟时采用的模型，然后按照基准源、发送电路、 接收电路三个部分，依次分析图2 3 中各个功能模块对应的电路。 1 0 浙江大学硕士学位沦文 2 3 1i r e d 管和p d 管的模型 在红外收发集成电路的模拟和分析中，红外发射管i r e d 羊红外光敏管p d 的 模型和参数是参考通常使用的单个独立器件。 i r e d 管采用二极管的模型，如图2 4 ( a ) 。其中二极管d 0 特性是j e 向压降 v ，在i ，= 5 0 m a 时为1 5 v ：结电容c o = 4 0 d f 、结电阻r s = 2 8 ( 2 。这些参数是参考 a g i l e n t 公司的红外发射管h s d l 一4 2 0 0 9 ：。 p d 管为p i n 型光敏管，采用电流源的模型，如图2 4 ( b ) 。其中是脉冲电流 源i p u l s e 和的直流电流源i d c 组成了光电流信号源，前者是代表接收到的电流 脉冲信号，在模拟时参数为i 。= 6 u a 、i l = 0 u a 的；后者则代表环境光产牛的暗电 流，在模拟时参数为i d c = 3 0 u a ：结电容c o = 5 p f 、结电阻r s = 2 k q 。这些参数 是参考a g i l e n t 公司的红外接收管h s d l 一5 4 0 0 1 0 ：。 i r e d - r 暑 妄 厂 d o。 上1 一 ft l 1 j 2 3 2 基准源 图2 4i r e d 管和p d 管的模型结构图 基准源的电路如图2 5 ，当s d 端为高电平时基准源正常工作。电路图的左 边是产生参考电流i 。的电路，右边是i 。通过级联电流镜产生四个偏置电j k ， 其中v r e f 、v r e f 2 为接收部分的p d 管偏置电路、放大电路、转换电路、藜形电 路提供偏置，v r e f 3 、v r e f 4 为发送部分的i r e d 管驱动电路提供偏置。 浙江大学硕士学位论文 到2 5 基准源电路幽 基准源采用p t a t 电流作为参考电流i 。，其产生电路如图2 6 ，结构分析 如下 1 1 ： 1 2 ： ( 1 ) 由q l 、0 2 ( 两管发射区面积之比a i ：a 2 ：5 ：1 ) 和r l 以及电流镜( m 1 m 4 ) 组成的结构为电流参考源，产生i 。； ( 2 ) q 2 、q 3 、q 4 组成的结构利用负反馈给q 1 、q 2 提供稳定的偏置： ( 3 ) q 5 q 8 和r 3 组成电流参考源的启动电路，这是为了防止参考源工作在i 。 = o 的状态。启动电路是通过m 5 、r 2 使参考源工作的，而肖参考源正常1 ： 作时q 5 截止。 圈2 6p t a t 电流i 的产生电路图 1 2 浙江大学硕士学位沦文 2 3 3 发送电路 发送电路如图2 7 ，包括保护电路( s t u c k o i lp r o t e c tc i r c u i t ) 和驱动电 路( d r i v e r ) 两部分。其中保护电路主要是实现了防止s t u c k o u 的限时保护功 能，而驱动电路则为片外的i r e d 管提供了3 2 m a 电流。 t d i r e d 一 图2 7 发送电路 l 、s t u c k - o n 保护电路 s t u c k o n 保护电路是对i r e d 管进行限时导通保护，即如果t x d 端的信号持 续高电平过长，则驱动i r e d 管的信号经过一定时间( 2 5 u s ) 后自动关断，以免 该发射管导通时间过长而损坏。 电路如图2 8 ，图中n h i o s 管m l 、m 2 在导通时相当于两个串联的电阻，限制 时间就由电容c 1 和这两个管子组成r c 电路的放电过程确定。 图2 8s t u c k o i l 保护电路图 电路的工作原理分析如下：当t x d 端为低电平时p m o s 管m 4 导通，给c 1 允 电，则v a 为高电平，经过两级倒相器后v 。也为高电平；当t x d 端为高电平时m l 、 浙江大学坝士学位论文 m 2 导通，c 1 放电，v 下降。如果t x d 端输入的是正常信号，即高电平脉宽为1 6 3 u s ， 则c 1 的放电时间很短，v 。下降很少，彳i 足以使v 。变为高电平，即v ( 一赢保持为 高电平，邡么与非门相当于倒相器，则t x d 端的高电平脉宽为1 6 3 u s 信号，经 过与非门和两级倒相器后，传输到t e s t 4 端时变为低电平脉宽为1 6 3 u s 信号， 模拟结果如图2 9 ( a ) 。 如果t x d 端输入的信号不正常，即持续为高电甲或高电平脉宽超过t p w = 2 0 u s 时，在c l 开始放电的一段时间内，v 。的卜 降不足以使v 。变为高电、f ，那么 与非门的情况同前面相同，t x d 端的高电平信号传输到t e s t 4 端时为低电平信2 r f - 1 ： 但当c l 放电时问达到2 5 u s 时v 。下降的电平使v 。变为高电平，v 。变为低电甲而 输入t x d 仍为高电平，那么与非门的输出变为高电平，经过两级倒相器后，则 t e s t 4 端也变为高电平，模拟结果如图2 9 ( b ) 。 40 。t x d 40 a ：t d 三。l 。口一。l 。三。l 一 = 二= ： 4 07 。v a40 4 ：， ； 一； 三。一三- i 3 一2 ：= 4 0 4 v 8 404 ：， b 三。l 一兰。l 0 - ：v c43 ，1 v g 三。亡= = = = 二二二三。亡：二二二二一 40 一：t i e s t 4 一r 1 ， 厂十一 ：一。l 型型一：， 0 01 0 u2 0 u3 0 04 0 u h m e ( 5 j ( a ) t x d 输入高电平脉宽为1 6 3 u s 信号 ( b ) t x d 输入持续高电平的信 图2 9s l ；u c k n 限时保护功能的模拟 图2 8 中m 3 作用是对v 。进行整形。当v 。升高时v 。下降，v 卜升，这使得m 3 导通，则v 。迅速被拉为低电平，波形的下降沿变陡峭；当v 。降低时上升，v 11 r 降， 但v c 电平仍旧能让m 3 导通，这使v 。的上升变缓，则波形的低电平脉宽变平缓： 到v l 变为低电平时m 3 截止，而v 。迅速被拉为高电平，波形的卜升沿变陡峭。经 过这样三次调整，最终使波形变得方整。 2 、i p , i ! d 驱动电路 i r e d 管的驱动电路如图2 1 0 ，采用四级电流镜将电流逐步增大到3 2 m a ，而 浙7 ：大学硕士学位论文 反相的两个信号t e s t 4 、v 。则分别控制这四级电流镜的导通与截止。由基准源提 供的电压y r e f 4 产生偏置电流i 。，v r e f 3 则为第一级电流镜提供_ ，偏置电压；向 利用i 。产生了第二、四级电流镜所需要的偏置电压v b i a s l 。 其中第一、一：、四级电流镜采用了级联结构，如图2 1 1 。1 。和i 。的比例是 由m 1 、m 2 确定的，所以输入信号v 。通过m 5 连接到这两个管子的栅极来控制该 级电流镜的导通与截止，这样就加快了i r e d 管开启和关断的速度；m 4 是增加m 2 的输 h 电阻，使得输出端的电压( m 4 的漏端) 有较大波动时，对m 2 管的i o u t 影响被减弱；m 3 是使m 1 和m 2 的v d s 相同，保证i 。被精确方人为i 。，。 v 时e f 4 v 剐芋3 2 3 4 接收电路 图2 1 0i r e d 驱动电路图 图2 1l 级联电流镜 接收电路如图2 1 2 ，主要完成信号的接收、放大、整形功能，并提供厂 定的输出驱动能力。包括偏置电路( b i a sc i r c u i t ) 、前置放大电路 浙江大学硕士学位论文 ( p r e a m p l i f i e r ) 、后置放大电路( p o s t a m p l i f i e r ) 、比较器电路( c o m p a r a t o r ) 、 整形电路( s h a p i n gc i r c u i t ) 、脉宽调整电路( r e g u l a t o r ) 、输出驱动电路 ( d r i v e r ) 等，下面就逐个分析这七个模块电路。 图2 1 2 接收电路 l 、偏置电路 偏置电路是为p d 管提供偏置电压并为信号输入电路、前置放大级提供工作 电压的v b i a s 2 ，如图2 1 3 。产生两个偏置电压的电路结构相同，由基准源的输 出电压v r e f l 提供偏置电流，由p m o s 管控制电路的导通与关断，n p n 管q ，、q j 的基极和集电极之间串入电阻，接成二：极管，作为o 7 v 的电压偏移，则p d 一和 v b i a s 2 为2 6 v ( v d d 一3 3 v ) 。 p d 图2 1 3 偏置电路图 1 6 浙江大学硕士学位论文 在p d 一的偏置电路中还有三个n p n 管q 3 、q 4 、q 5 接成二极管，这是因为p d 管导通与截止时电流变化较大，为了减小偏置电雕p d 一随电流的变动，耍将q 2 的v b e 2 箝制在( v b e 3 * v b e 4 一v b e 5 ) 。 2 、前置放大电路 前置放大电路如图2 1 4 ，实现了将p d 管的光电流信号转换为电压信号，输 入到前置放大级，电路的结构分析如下。 偏置电压p d 一加在p d 管阴极，p d 管产生的光电流信号i p d 从其阳极p d + 流入芯片后分成两路，一路流过电阻凡，另路由电阻r 和r 分压，产生电压 信号v ，、v ：；由接成二极管的q 。、q 4 管限制v 。、v j 的电压幅值，而电容e l c ；组 成的滤波网络则实现了v 。、u 的带通滤波。 这样的输入结构使得p d 管产生的光电流i p d 中，暗电流部分从电阻昆、凡、 凡流走，而电流脉冲信号部分则经过滤波转换为电压信号v ，、v 。；而v ，、v ；由电 阻凡取出差值电压，输