（微电子学与固体电子学专业论文）一种红外名片交换芯片的研制.pdf

摘要 本文是关于一种专用于名片交换的红外数据通信芯片的研制。 随着经济的发展，商务活动的增多，人们要保存和管理大量的名片，现有的 名片管理方法不能很好地解决这个问题。与名片相关设备，或者存在管理方法复 杂的缺点，或者不易携带，再者因为都是作为通讯、管理系统的附带功能，只能 实现本产品问的名片交换。本文就此问题提出了“红外名片交换专用芯片”的概 念，该芯片采用点对点红外通信的技术特点，结合系统集成方法，简化交换操作， 增强了交换的安全性和通讯质量，并提高了名片管理的水平和效率。 该“红外名片交换专用芯片”能独立完成名片交换和管理的任务，具有显著 优点： 1 采用红外数据通信的方式，具有技术方案成熟，交换方法简单，保密性好， 相互电磁干扰小成本低、简单易用等优点。 2 其采用同步接收的接收方法，提高了噪声抑制，保证接收质量。 3 采用简单指令集的设计，能在系统内完成全部的交换、存储，编辑、查询、 修改名片等操作。 4 根据名片交换系统的特点，键盘电路采用中断检测的实现方案，较传统的轮 询方案节省了系统工作时间，降低了功耗。 本芯片采用数模混合设计，参加了由上海集成电路中心( i c c ) 组织的m p w ( 多晶圆) 计划，在无锡上华半导体有限公司流片，采用上华0 6 u r n 混合c m o s 工艺( 准双阱、双层多晶硅、双层金属) 。测试芯片分为发送芯片和接收芯片两 块，各为2 2 r a m2 ，并进行了封装和测试。 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fan e wt y p eo fs p e c i a lb u s i n e s sc a r d c h i p ，w h i c ha d o p t s i n f r a r e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y w i t ht h ep r o g r e s so fe c o n o m y , p l e n t yo ft i m ei sw a s t e di nm a n a 画n gb u s i n e s s c a r d sf o ri n t e r c o u r s e s n o w a d a y st h e r ea r en oe f f i c i e n tm e t h o d st or e s o l ei t a l l o ft h o s eh a v et h i sa n dt h a tk i n do fs h o r t c o m i n g s ，s u c ha sc o m p l e xo p e r a t i o n ， i n c a p a b l eo ft a k i n go nh a n d ，a n ds oo n e s p e c i a l l y , t h ef u n c t i o no fe x c h a n g i n g a n dm a n a g i n gb u s i n e s sc a r d si sa c c e s s o r yt ot h em a i nf f s t e m s s oi to n l yw o r k s a m o n g s a m e p r o d u c t s s i n c et h e s ed i s a d v a n t a g e s ，t h i sp a p e rg i v e st h en e wc o n c e p tc a l l e ds p e c i a l i rb u s i n e s sc a r de x c h a n g i n gc h i po rb u s i n e s sc a r dc h i p t h en e wc h i pc a n i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fb u s i n e s sc a r d sm a n a g e m e n t ，e n f o r c et h es e e u r i t ya n d q u a l i t yo fr e c e i v e r s ，a n ds i m p l i f yt h eo p e r a t i o n s o m ef e a t u r e so ft h i sc h i pa r e l i s t e db e l o w ： f i r s t l y ，i to p t sf o ri rd a t at r a n s m i tt e c h n o l o g y , s oi th a v et h ea d v a n t a g e so f l i t t l ee m i ，s i m p l eo p e r a t i o n ，l o wc o s t ，e t c s e c o n d l v t h es y n c h r o n ym e t h o dm a k e si th a v eg o o dn o i s es u p p r e s s i o na n d b e r q u a i l t y t h i r d l y ，r i s cd e s i g nc a ns u p p o r ta l lf u n c t i o n o f e x c h a n g i n g ，s t o r i n g ，e d i t i n g ， s e a r c h i n g ，a n dm o d i f y i n g t h eb u s i n e s sc a r d s f o u r t h l y ，n e wt y p eo fk e y b o a r dc i r c u i t sd e s i g n e di nt h i sc h i pc a ns a v et h e s y s t e mw o r k i n gt i m e a n dr e d u c et h ep o w e r d i s s i p a t i o na c c o r d i n g t ou s u a lp o l l i n g c i r c u j t s t h ec h i p sa r eo nt w od i eo f2 * 2 7 7 2 u s i n g 0 6 u r nc m o sm i x s i g n a l t e c h n o l o g y ( d o u b l ew e l l ，d o u b l ep o l y , d o u b l em e t a l ) i n c l u d i n gs e n d i n gp a r ta n d r e c e i v i n go n er e s p e c t i v e l y t h et e s t sa r e a l s oa c c o m p l i s h e d h 浙江人学项寸：毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 第一章概论 1 1 论文背景及意义 随着经济的发展，商务活动日益频繁，人们在交往过程中交换纸质名片越来 越频繁。可是纸质名片存在分类烦琐，查找困难的缺点，因此，名片的电子存储 方案应运而生。但是，要把得到的纸质名片转存入电子设备也是一项恼人的工作。 由汉王等识别系统公司推出的名片扫描技术虽然简化了输入，但仍然没能解决便 携和随时查找功能的问题。近几年，随着无线便携技术的兴起，无线数据传输得 到了广泛的应用，同时也带来名片交换方式上的变革。经过调查，大多数名片使 用者的主要名片存储介质是单一的，并对随身服务的要求很高。因此，新型的移 动电话、p d a ( 个人数字助理) 等设备都提供了与自己系统兼容的名片功能，可 以在兼容系统中交换，存储大量的名片信息。但它们大多只是设备商提供的一项 附属功能，并且交换名片操作复杂，适用范围小。本文的设计思想就是在此基础 上发展成熟的。并且，本文提出“专用名片交换芯片”的概念，该芯片专用于解 决名片交换、存储和查找方面的问题，指令简化，提供针对名片使用方法的专有 设计，降低功耗，提高系统性能的稳定性。并且，本文将对名片交换系统的开发 进行详细的讨论。希望借此带来名片交换方式的变革。 现在，实现无线电子名片交换的技术已经成熟。最常用到的是红外无线数据 通信方式。 1 2 与课题相关的技术及其发展现状 红外无线数字通讯是一种采用红外线作为通讯载体、可用于室内外以红外线 实现点对点及无线红外l a n ( 局域网) 的通信技术【t i ，该技术广泛应用于语音 和数据通信领域。 1 2 1 简介 通常，红外无线数字通信分为室内通信和室外通信两种类型。这两种通信类 型由于通信信道、传输速度和限制功耗的差异，导致所采用的发射、接收机结构、 c o d e c ( 编解码) 方法也不相同。其中，室外红外无线通信指空间红外( 激光) 1 浙江人学坝i 。毕业论史一种红外名 交换芯片的研制 无线通信，其在军事上的应用比较多，比如s m a r td u s t ( 智能微尘) 军事红外通 信技术等。 由于室内红外无线通讯与其它通信形式相比有着成本低廉、连接方便、简单 易用和系统结构紧凑的特点，其在消费电子领域得到了广泛的应用。在日本，n t t d o c o m o 初步计划将新机型“数字移动者5 0 3 i 系列”中的n e c 制造的“n 5 0 3 i ” 和松下通信工业制造的“p 5 0 3 i ”这些手机提供红外接口以完成用户间的电话薄 信息和日程信息的交换。据悉该公司将在新一代“5 0 4 i 系列”的全部机型中标 准配备红外接口。一些产品门类广的知名公司，如三星等，推出了适用于本公司 产品之间的信息共享的红外数据通信存储功能。 红外无线数字通信系统的性价比高，实现简单，不受无线管制，具有抗电磁 干扰及便于高速应用等特点。随着标准化工作的进行，该技术已经成为一种具有 广泛前景的室内无线通信技术。 正如上所述，红外技术的发展为电子名片交换芯片的设计提供了很好的技术 准备。 1 2 2 为何采用红外通信技术i r d a 用红外室内技术是电子名片交换芯片的最好选择。这是因为： 1 成熟的技术标准参考i r d a ( 红外数据协会) 为了建立一个统一的红外数据通讯的标准，1 9 9 3 年，由h p 、c o m p a q 、i n t e l 等二十多家公司发起成立了红外数据协会( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，简称 i r d a ) ，1 9 9 3 年6 月2 8 日，来自5 0 多家企业的1 2 0 多位代表出席了红外数据协 会的首次会议，并就建立统一的红外通讯标准问题达成了一致。一年以后，第一 个i r d a 的红外数据通讯标准发布，即i r d a i 0 。i r o a l 0 简称为s i r ( s e r i a l i n f r a r e d ) ，它是基于h p 一5 i r 开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方式。 s i r 以系统的异步通讯收发器( u a r t ) 为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和 对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程( 3 1 6e n d e c ) 实现_ e l 夕b 数据传输。由于受到u a r t 通讯速率的限制，s i r 的最高通讯速率只有1 1 5 2 k b p s ， 也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。i r d a ( i n f r a r e dd a t aa c c e s s i o n ) 的 浙江大学颤j ：毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 成立极大地促进了红外技术的发展和应用，并不断提出新的标准l ，i 。 2 红外通信与b l u e t o o t h ( 蓝牙技术) 为代表的其它短距离通信技术比较优 点明显。 b l u e t o o t h 是作为一种“电缆替代”的技术提出来的。发展到今天已经演化 成了一种个人信息网络技术。它将内嵌蓝牙芯片的设备互连起来，提供语音和数 据的接入服务，实现信息的自动交换和处理 引。 举个很简单的例子，设想在一个会议厅里人们正在相互间交换电子名片。 小范围、窄角度( 3 0 度) 的i r d a 是以对准发射的方式与接收方建立连接的。 并且在有限范围内衰减。所以在交换电子名片时，发送方需要走进接收方并瞄准 接收方的设备进行( 有3 0 度的发射角) 。这样，有限的范围和角度可以使其它人 做同样的事情而不会引起相互间的干扰。从而用最简单、安全和自然的方法达到 名片交换的目的。 而在同样的情况下，b l u e t o o t h 却表现较差。它的全方位特性使得它要花更 长时间找出众多设备中哪一台才是要接收的。当然用户可以强迫从设备列表中选 定适当设备( 例如根据它的4 8 位地址或用户名) ，但这无疑增加了程序的复杂度 和系统的不稳定性。又由于b l u e t o o t h 有一对多点的交换数据能力，故它需要额 外的安全措施来防止未经授权的接收。 3 红外技术具有成本低廉、连接方便、简单易用和系统结构紧凑的特点 红外技术提供了一种方便的无线连接方案。现在i r d a 认证的红外数据交换 芯片( 只有发送接收功能) ，单价已经降到了5 美元。a g i l e n t ( 安捷伦) 公司开 发出最溥封装的i r d a 芯片。红外功能已经广泛应用于计算机周边设备领域。 综上所述，设计一款具有良好性能的短距离可视范围内的“名片交换”芯片， 采用红外通信技术是一种非常理想的选择。同时，成熟的技术标准i t d a 通信方 案也为它提供了良好的技术保证。 1 2 3 简介i r d a 的三种异步实现方案 下面介绍传统的基于i r d a 标准红外数据通信设计方案 ”，它们的区别主要在 浙江人学倾士毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 于串行数据的来源和编码的部位的不同。传统设计主要考虑的因素是系统模块的 组合特性。 ( 1 ) 带编码解码的u a r t ( 通用异步收发机) 结构 ( 2 ) r s 一2 3 2 端口结构 ( 3 ) 带s u p e ri o 的4 m b s 的i o 结构。 1 带编码解码的u a r t ( 通用异步收发机) 结构 典型应用：个人数字助理( p d a ) 、工业控制器。 许多电子仪器，如p o a 、工业控制器，可以采用1 6 5 5 0 或类似的用于i o 的 u a r t 、嵌入a s i c 的u a r t 。如图1 1 所示，u a r t 的t x d ( 信号输出端) 输出为n r z ( 不 归零) 信号，它是1 0 0 , 的位宽。这种信号必须在发送前被调制，接收时被解调。 一片分离的编码解码芯片。女 i h s d c - - 7 0 0 0 被用作调制和解调数据。 h s d l 1 0 0 1 门0 0 l 6 5 5 0 型u a r t 、微控l l 二兰一编码解l 二 i 制器、带t 6 x 的嵌入i r x d l 码器i i r r x d i 式i 0 卜叫卜一 i r 发射 接收器 m 时钟 1 图1 l1 6 5 5 0 型或带1 6 x 时钟的嵌入式u a r t 图1 1 中的h s d l 一7 0 0 0 有一个i r t x d 输出信号，它具有3 1 6 的位时隙( 1 6 个 时隙中的3 个) ，1 6 x 时钟可由简便的u a r t 输出口提供，通常叫做波特率输出( b a u d o u t ) 。 在图1 2 中，被接收的脉冲( i r r x d ) 由编码解码器解调为1 6 个时钟脉冲宽度 或者为最初的位周期。链路两个终端的时钟并不需要同步，但是却需要工作于链 路连接时定义的同一频率。 r d a 发射器是专门为调制数据设计的， 浙江人学硕 ：毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 1 6 i 时钟 1 ) c d t r r 毋 ，婚日钟、 麟眦眦 n几 毫。卜 i e i 时钟 i h d 啪 1 6 时钟、 眦。眦峨 立令 ( b ) 图1 2 ( a ) i r 发射器波形变换，( b ) i r 接收器波形变换 2 r s 一2 3 2 端口结构 典型应用：对r s 一2 3 2 端口增加i r ( 红外) 功能。 i r 端口可以设计得与r s 2 3 2 端口协同工作，完成终端设备的相互通信，也 可设计成扩展的i r 适配器。如图1 3 所示，在这种结构中，数据需要被编码，但 是不能产生时钟信号。时钟将在适配器中产生，为了实现高于9 6 k b s 的速率， 需要一个可编程的时钟。而且，需要用可通信的r s 一2 3 2 的接口电路，把电平从 r s 一2 3 2 电平转换为逻辑电平。另外，还需要提供充分的功率，以便在传输数据 时，电平峰值能激发l e d 。在数据率低于1 5 2 k b s 时，脉宽将被固定在1 6us ， 而不是3 6 的数据率，因而降低了平均电流。 图1 3r s 一2 3 2 适配器 3 2 ，4 k b s 4 m b s 数据率方案 典型应用：笔记本电脑、打印机及其它带i s a 或p c i 芯片的设备。 i r d a t 1 版本规范把数据率提高到4 m b s ，这就要求必须有不同于简便u a r t 浙江人学烦： 毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 的i o 接口，也需要不同的调制方案。4 m b s 的物理层方框图看起来类似于低数 据率的方框图，只是u a r t 和编码解码电路被用于4 m b s 的i r d a 数字通信的i o 设 备( 女1 s u p e ri o ) 替换而己。因为所有的i r d a 链路都需要以9 6 k b s ( 用3 1 6 调制) 数据率来启动，所以这个设备同时为1 1 5 2 k b s ( 3 1 6 调制) 信道和4 m b s ( 4 p p m 调 制) 信道编码和解码。许多i o 芯片可以连接n p c i 总线和i s a 总线上。 如图i 4 n 示，在此方案中，s u p e ri o 芯片的串行i r 输入输出直接与i r 发送 器的输入输出口相连。s u p e ri o 芯片的工作模式由它自身内部的配置寄存器各 配置位来设定。这些配置位包括：半双工方式、i r d a 、s i r 、发送活性高、接收 活性低等。 f r 控制器 或s t ：p e r i 0 i rt ) ( d i ri c x d ( 0 5 4 m b l s ) i r 发射。 发牧； l 圈t 42 4 k b s 4 mb s 数据率方案 1 2 4 结论 很明显，以上方案都是适于电脑周边设备的异步通讯方案，虽然，异步通讯 系统具有系统整合性高，芯片功能划分细，易于市场推广的优点。但是在实现上 不可避免地存在可靠性较低，信道的利用率、传输速率低，易出现信号亚稳态的 缺点。同时，如果设计不好很容易出现缓冲空、满溢出信号的错误识别。因此， 经过对系统方案s o c 自, o 考虑，“名片交换”芯片采用了同步传输的设计方法。 1 3 本论文主要研究工作 同步数掘传输有效地利用了传输信号中所附带的时钟信息。本课题要完成从 接收到处理的系统芯片设计，该方案具有系统稳定性好的优点。整体设计方框图 如下图1 5 所示，对于数据的同步接收，最重要的是通过信号的所带的时钟信息， 将时钟恢复出来，倍频后，该时钟也作为系统时钟，以满足数字处理模块对时序 的要求，在一个处理周期内完成对接收到的信息的处理。由此，节省了用于缓冲 数据的寄存单元，同时又引入同步电路性能稳定的优点【1 0 l 。 浙江人学硕【。毕业论义一种红外名片交换芯片的研制 r 棼考电压 j 卜 数 字 分 接收机前端 折 i 处 理 1 7 梗 块 tl 电路 l 图1 5 同步信息系统解决方案 设计中用到的模拟部分设计为：前置跨阻放大器，基准源，分压偏置电路“1 ， 比较器，整形和辨识电路，p l l 时钟恢复电路，i l e d ( 红外发射管) 红外传输 电路，见图l ，6 。由于上华d p d m 工艺中无外延层，衬底噪声对电路产生很大的 威胁，即增加了误码率，又提高了电路的功耗，因此，除版图中采用保护环外， 电路中还大量采用了差分结构，以抑制其加性噪声的影响。 瓷 发送电路 图i 6 模拟部分电路结构框图 数字部分划分为：键盘电路，编码电路，解码电路，r i s c ( 精简指令集处理 单元) 。 在架构上，考虑到系统对低功耗的要求，本文将传统的扫描式键盘电路，更 改为边沿触发信号的形式，加入外围电路后。静态下，整体功耗仅为9 0 0 h a x5 v 。 浙江大学唧! 1 毕业论史一种红外名片交换芯片的研制 同时不占用算术单元的工作时间。 红外数据通信领域的一个关键技术是如何改进光脉冲的调制方法( 如改进 p p m 的调制方法) ，以降低红外发光管的功耗，延长红外便携终端的工作时间。 在参考i r d a l 0 协议的物理链路层规范基础上，本文采用了3 1 6 信道p p m ( 脉 冲位置调制) 调制“，编码、解码电路采用c r c c c i t t 结构。 c r c ( x 1 = x 1 6 + x 1 2 十x 5 + 1 r i s c 中在传统的8 指令集基础上设计了p l d a ，p s t o 指令，完成间接地址的 读取和存储。 由于红外名片交换芯片只有在有键按下的情况下才开始工作，并响应用户要 求，故加入电源管理功能进一步降低功耗，电源管理主要采取以下措施： 对时钟设定等级，由键盘唤醒，在空置等待状态下，时钟终止，不消耗功率。 当键盘唤醒时钟后，分为2 个等级进行处理，在传送和接收数据，存储，查找数 据的情况f ，时钟全速运行，最快响应，而在输入和显示周期中，由于外部输入 和响应较慢，时钟中速运行，降低系统功耗。采用本电路最大的挑战是时钟唤醒 时刻出现的抖动可能引发的错误响应。如何使时钟变化平稳，可分辨。 1 4 总结 从中司以看到，这里采用了一种新的结构来实现红外数据的低速通信，在系 统的稳定性、功耗等方面做了考虑。本文所述的工作参加了上海i c c 的多晶圆计 划( m w p ) 由于各方面的限制，本设计只对部分最关键的模块进行了流片与测 试。电源管理功能只是完成基本设计，故下面的论文中没有详述，p l l 电路进行 了仿真和版图设计，没有进行流片和测试。 浙江大学坝士毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 流片的芯片模块分布 接收部分i d e r 0 7 0 11 模拟模块 ( 芯片代号e 0 4 ) 1 1 前置放大及增益调整模块 2 ) 比较器和整形电路 2 数字模块 解码模块( 解码模块中包含一个取余电路) 发送部分i d e s 0 7 0 1 数字模块 ( 芯片代号e 0 1 ) 1 r i s c 电路 2 键盘电路 3 ，编码电路 参考文献 1 国外无线红外数字通讯研究红外技术v 0 1 2 0n o - 3p 3l 。3 5 徐海峰刘贤德 2 红外与蓝牙技术的比较微电子技术2 0 0 2 年5 期申康 3 基于i r d a 标准的红外无线通信原理及设计电子工程师2 0 0 0 年5 期 王红智周云严国萍 4 一种新型漏电开关保护苍片的设计与实现半导体技术2 0 0 4 年 5 f d e l g a d o ，rp e r e z - j i m e n e z ，e t c “e x p e r i m e n t a lc h a r a c t e r i z a t i o no f al o w - c o s t f a s tf r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a d s p e c t r u mf o rw i r e l e s si n - h o u s e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s ”，2 0 0l ，i e e e 6 i r d as t d “i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o ns e r i a li n f r a r e dp h y s i c a ll a y e r s p e c i f i c a t i o n 浙江人学顺1 毕业论史一种红外名 变换芯片的研制 v 1 0 v 1 4 7 单片机系统中的红外通信接口h t t p ：w w w 2 1 i c c o m 邱玉春李文俊 8 m a u r oo l i v i e f i “al o w p o w e rm i c r o c o n t r o l l e rw i t l lo n c h i ps e l f - t u n i n gd i g i t a l c l o c k g e n e r a t o rf o rv a r i a b l e l o a d a p p l i c a t i o n ”f r o m i n t e m e t 9 j o s e p h m k a l m j o h nr b a r r y w i r e l e s si n f r a r e dc o m m u n i c a t i u n 1 9 9 7i e e e 1 0 b r e t tw a r n e k e c a r lc h a n g “u l t r a l o wp o w e rc o m m u n i c a t i o n l o g i cc i r c u i t sf o r d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t w o r k s ”e e c s2 4 1 ，s p r i n g1 9 9 8u c b e r k e l e y 0 浙江大学硕i ：毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 第二章模拟电路部分的设计 在这一章中将讨论“名片交换”芯片的模拟电路部分设计，包括前星跨阻放 大器，比较器，波形整形电路，和由p l l ( 锁相环) 所构成的时钟恢复电路。这 里涉及到从结构上抑制噪声、提高s n r ( 信噪比) 的方法，以及a g c ( 可变增益 控制) 的方法。放大器、比较器部分采用差分结构、数字可控增益。为了抑制环 境光对前置放大器的影响，本设计采用一个有源反馈环式跨阻放大器。p l l 电路 采用c p p l l ( 电荷泵锁相环) 的架构。( 整体框架见第一章) ，按顺序详细说明如 下： 2 1 前置放大器的设计 随着无线移动需求的增加，越来越多的设备采用红外发射管( 为了与传统的 l e d 区别，很多情况下，被简写为i l e d ) 、红外接收管作为信号传输和接收的器 件，红外信道一般是工作在周期为9 4 0 n s 的频率附近。如何将红外接收管接收到 的电流脉冲信号转换为1 0 0 占空比的数字电压信号，并在满足一般b e r ( 误码率) 为l o 。2 的要求下简化设计，实现通用的红外数字通信系统，各大设计公司提出 了很多解决方案。著名的有i b m 公司和安捷伦公司的通讯方案。它们的区别是对 噪声的处理和增益的调整方式等方面的不同。 本文采用差分负反馈放大器结构，电路如图2 1 。两个p m o s 管m l 、m 2 组成 第一放大级，m 5 、m 6 为第二级放大，为了简化设计，没有加入c m r c ( 共模抑制 电路) ，5 、m 6 的输出级的d c ( 直流) 电压靠电路的偏霓工作点提供，因此输出 电压的摆幅较小，但是这个电路有个突出的优点，就是电路的带宽稳定，不受放 大器增益变化的影响。 在某种程度上，带宽足用来衡量数字化信息流速的标准量。通常，对于模拟 信号，我们用频率来度量信号的变化快慢。频率越高，传递信息速度越快，在单 位时问内通过的信息流量越大。而对于数字信号的测量，带宽则成为关键指标。 带宽大表示单位时间内的数字信息流量大。衡量二进制0 1 1 0 0 1 码流的基本单位 浙江人学砸l 。毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 称为“比特”，若传输速率达到6 4 k b s ，就表示信息的流量是每秒6 4 0 0 0 比特， 但是有时对于某一种业务，却很难给出其带宽的确切值。因为数字信号的传输还 d 幽2 1 可变增益差分前置放大器 与传输质量，传输时间，任务的带宽需求等因素有关。在设计的时候，我们固定 了前置跨阻放大器的带宽，见下图2 2 所示： 口m l 片， 。 1 1 r ，c p o 4 警 图2 2 环路增益的频率曲线 当跨阻放大器的单位环路增益频率约为 生 曼苎! 墨! r f c p dr j c p d 2 1 浙江人学坝土毕业论义一种红外名片变换芯片的研制 其中c p d 是光电二极管的电容。放大器的稳定性由u t 对非主极点，：的相对位置 决定。从( 2 1 ) 式看到，当r r 减小时国。增加。我们可以假设非主极点受r ，影 响不大。当脚：太接近。：时，高频增益会急剧增加。为了避免这种情况，单位增 益频率应随r ，变化。如果r 。能和r ，同步变化，珊，将保持恒定，稳定度会得到 改善。而本电路的跨阻放大器的带宽约为： 口矿。! 丝。曼! ! 墨! 。国 r f c p dr f c e _ 2 2 因此，使r ，和r ，同步变化也就满足了保持带宽恒定的要求。总之，任何可变电 阻r 和髟同步变化保证了增益可变跨阻放大器的带宽稳定。 由于r 和r ，两电阻的端电压基本相同，一端偏置在。1 2 ，另一端连接到 输出。因此，两电阻都可用同类型m o s 管。两电阻都没有电流偏置，因而不会产 生筘位。这一结构很好的考虑到m o s f e t 进入饱和时r 。和r ，将呈现的非线性问 题，这时他们相关联，仍保持同步。 图2 3 为可变电阻r i 、r ，的结构图e 点1 接i n 和t a p 端，犬，接i n 和o u t 端。四个可变电阻r r 。、r 且、r 拍的模拟结果是比较理想的。为了能有理 三_ v 6 n 2 浙江人学坝i 。毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 图2 3 用于反馈的有源电阻r l 和r r 想的增益大小范围，每一个电阻都分成由三个导通电阻组成。通过控制信号 v b n x 、v b p x 使每一个导通电阻或者处于导通或者截止状态。导通电阻尺寸不同， 每一个都有三个设置值0 v 、3 v 、5 v ，用数控方法改变导通电阻矩阵( 有2 7 种变 化状态) 的阻值( 调整m o s 管合适尺寸，保证是与太，比值近似不变) 。为了得到 j 良好的线性度和防止信号的馈通，使用了互补n m o s 、p m o s 对管，并且用n 阱中 的p 沟器件连接电路输出端，减小体效应。模拟表明在电压降落0 5 v 时，可变 电阻阻值变化在1 0 以内。 为了减小加性噪声的影响，在设计中，第一级的跨导采用p m o s 差分对管。 输入管做在n 阱中，仅以热噪声的少量增加为代价，就大大降低了衬底噪声的影 响。同时，p m o s 比n m o s 对闪烁噪声的抑制更好，而m ，和m 。是单端输出的。由 图2 1 可见，将m ；和m 。输出端静态偏置固定在1 v 左右，这样就可以省去了共 模反馈。小信号倒相是通过图2 1 的差分对反馈结构实现的。因为差分信号电流 基本等于外部电流i 。，它们分别流过r 自、r m 和r 扩r l 。电流i 。由差分对提供， 因此，最大信号电流取决于输入差分对的尾电流，并限制在尾电流的半以内。 动态范围是放大器的噪声底线和最大输入电流的比值，因此，增大差分对尾电流 是提高动态范围的一种方法。 使用差分结构能尽量消除前端放大器对来自电源和衬底噪声这类加性噪声。 怛是，光电二极管只与差分对的一端相连。这就造成差分结构输入端不平衡。因 此t 在跨阻放大器的另一端需外加电容c 。( 如图2 4 所示) ，使之与光电二极管 的电容匹配。理想的匹配能确保偏置电压吒，注入的噪声被作为共模信号由差分 结构有效消除。 红外通信工作在有光干扰环境中，即在a w g n ( 高斯噪声信道) 中的通信， 为了增强对环境光( 商斯噪声) 的抑制。采用了主动式的反馈回路，如图2 4 所示。但是，因为m 。，与输入相连，它产生的任何热噪声都直接影响信号电流的 浙江人学颂i ：毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 纯净度。所以，若环境干扰光电流很小，关断肘。能强化前端放大器的灵敏度； 当信号远远强于环境于扰光时，调整放大器的增益来防止放大器进入饱和态。这 时环境干扰光电流的抑制电路作用也不是很大，可以使其失效或限制其作用，目 的是去除热噪声随k 的变化；当其它情况时，则通过控制肘。，抑制环境光的 直流干扰。 s + m 嘲涪r 图2 4 带噪声抑制的前置放大器示意图 电路工作情况如下：光电二极管的直流分量使差分输出产生偏移，这个偏移 量由e r r o ra m p l i f i e r ( 误差放大器，起积分作用) 随时间积累，控制起电流沉 的作用的n m o s 管m 。，。在稳定状态时，消除信号通道中的平均光电流k 。平均 光电流由周围环境光电流和信号的直流分量组成。 v d d i n 2 i n l 图2 5e r r o r 放大器电路 浙江人学坝j 毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 e r r o ra m p l i f i e r 采用的是普通的双级c m o s 运放结构，如图2 5 所示。输出 级采用大偏置电流，尽量提高零点频率。有源电阻m 5 和c 0 提供电路的频率补偿， 提高电路的稳定性。电路的主极点处于低频( 2 0 0 h z ) ，只对低频或直流信号有放 大作用，进行反馈控制。 这里假定接收管等效电容为5 p f ，采用信噪比为；的有噪信道，最大增益时 的输入参考噪声电流4 5 h a 。跨阻放大器在4 5 m h z 带宽的情况下提供的最大增益 为2 0 艘。定义动态范围为在最大敏感度时的噪声电流4 5 n a 和最大输入电流 4 0 0 u a 的比值，故为7 9 d b 。 在跨阻放大器增益为5 0 0 q 时，输入电流为4 0 0 u a ，输出电压2 0 0 m y 。因此， 可变跨阻放大器提供了从2 0 女q ( 8 6 d b f 2 ) 到5 0 0 q ( 5 4 d b f 2 ) 的变化范围。增 益变化范围为4 0 ( 3 2 d b ) 。在低增益时带宽的降落可以归结为m 5 和m 6 ( 图2 1 ) 的跨阻增大n 严格地说，跨阻放大器的增益正比于i 三一只丘。) ，而不是简单 地与( 一r 。) 成比例。 前置跨阻放大器花费了我们很多的设计精力。虽然差分结构理论成熟，但是 作为一个全差分调整的电路，仍然为设计人员的一大挑战。 2 2 比较器 图2 6 比较器电路 浙江人学硕i ：毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 在前置跨阻放大器对接收到的电信号进弦放大，差分输出后，通过比较器鉴 别其信号脉冲，将模拟信号还原为数字脉冲。图2 6 为该t b 较器的实现电路。其 中，m 1 m 2 ，m 3 ，m 4 为前级放大，m 5 ，m 6 ，m 7 ，m 8 ，m 9 ，m i o 是判决电路，一般 构成正反馈，m 1 2 ，m 1 3 ，m 1 4 ，m 1 5 ，m 1 6 ，m 1 7 构成后级放大，m 1 2 ，m 1 3 ，m 1 4 ， m 1 5 将双端信号转换为单端输出。m 1 6 ，m 1 7 为缓冲级，作用是提高比较器的输出 摆幅提高动态范围。 输入糖5 0 u v 的仿真结果如图2 7 所示，从图中我们可以看到，由于控制输 出级比较器形成一个最小可分辨输入电压差为5 0 u r 的窗口。 5 日j ：。驴“。钆i e q 一5 。u ：e e q - q , = “ 4 。2 2 乩5 u：岫a g = ；_ 5 。瓢u o ：叼2 ”柑。、8 q ；5 。 0 0l 。 0 ，0 t i m e fs 图2 7 比较器仿真结果 这样，在考虑到信道中可能出现的突发噪声脉冲的影响。如果突发噪声经前 置运放旌去后仍小于5 0 u v ，则经比较器的最小分辨电压的限制，不会对后续 电路产生影响。 。 比较器将双端输入变成单端输出，比较器输出电压小于3 2 v 输出信号需要 经过煎密特触发器的窗口整形。 2 3s c h m i t t 触发器 九岬-二；i|；至 n融鼬=nm=_=” m甜二=：m 0 0 0 0 3 2 ， 一 一 浙江人学碳l 毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 施密特触发器有两个重要的特性，其一，它具有波形整形的作用，对上升时 间大的输入锐化其边沿：其二，对上升电压，下降电压表现为不同的开关阈值。 从高电压到低电压，和从低电压到高电压的阈值表示为v 。一和+ 。滞后电压是 这两个电压之差。如图2 8 ： u 。， v m v m + 图2 8 反相施密特触发器电压传输特性图 v 施密特触发器的主要用途之一就是对含噪声或上升、下降时间长的输入信号 转化为标准数字信号。c 1 4 0 s 反相施密特触发器电路如图2 9 所示。 v d d 图2 9s c l l i l i i t t 触发器 to u t 浙江人学顾上毕业论文一种红外名片变换芯片的研制 m 5 ，m 6 构成反馈电路，当s c h m i t t i n 初始为0 电平时，输出s c h m i t t _ o u t 为高电平i ，m 6 导通，m 5 截止。则由 陪( v m 一一v 州) 2 = 鲁( v d d 一一一i 1 ) 2 + k 一比。一肌一比，) 亟 丛 l 鲁一一一1 d 2 = 导蛾一一一) 2 = 导畋：一一一1 | ) 2 设计仿真结果如图2 1 0 ，v m 一= 1 6 8 v ，v 。+ = 3 2 5 v 。 前端整体仿真结果 幽2l 0s c h m i t t 仿真结果 圈2 是前置端整体仿真结果，从图中我们可以看到，输入电流信号在输 出端转化为电压信号并经过整形电路输出数字o 、1 信号。 浙江大学颤 毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 e0 t 一 妯。 一 一i o u l b 酷高r r & k 2j c “粕幅打1 蔷l 诗i s i i 酬摹”一。 一 t r o e ：0 n tr 删0 _ _ 二。翟- nr _ _ l 山上上l ll luu l l 。 7 。，。川“二礴 三羔 二口。 ：i 二= 口j 墨塑： 二二二二 日3 $ a n l j “+ j j ) 9 3 3 8 r m v 一、一一，、，一、，1一“ r ， 一 ，+ljj一一一jj一l， e 3 7a m ，t p t 。n 1 7 9 n 8 m p 一k 一 一一 9 a n l l _。一i，、一 t i m 口：l 2 4 电荷泵锁相环( c p p l l ) 图2 i i 前端仿真图 这里要说明的是：从整体方框图中可以看到，锁相环的输入数据信号是p p m 信号而不是n r z ( 非归零) 信号，其有固定的脉冲宽度，因此，可以使用c p p l l 的异或方式数字鉴频鉴相器，简化设计。 p l l 作时钟恢复( c r c ：c l o c kr e c o v e r yc i r c u i t ) 电路进行同步接收，由于 二进制随机信号带有发送的时钟信息，脉冲又提供了相关的相位信息。因此，我 们可以从传送的信道信息的到具体的发送时钟，并在接收端跟随，完成信息的同 步。本设计采用的是c p p l l ( 电荷泵锁相环) 的设计。如图2 1 2 所示。由p f d ( 鉴频鉴相器) 、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频电路组成。与传统的 第一类锁相环( 1 9 9 3 架构) 不同之处在于将相位检测用p f d 和电荷泵取代。 鉴频鉴相器通常为一个数字电路，输出为逻辑信号( u p d o w n ) 电荷泵用来转换逻辑( u p d o w n ) 信号为一个电流信号 低通滤波器将电荷泵产生的电流信号转换成模拟电压信号，此信号是压控振 荡器的控制信号，对整个锁相过程影响最大。 压控振荡器输出一个受控周期信号。 2 0 浙江犬学硕，l ：毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 2 4 1 鉴n 鉴频器 a 丑分频电路 图21 2p l l 设计框图 对数据的鉴相鉴频器方案结构如图2 1 3 所示 妻 图2 1 3p f d 鉴相器电路 它通常由输入参考信号和振荡器反馈信号的上升沿驱动。电路使用时序逻辑 建立三个输出( u p d o w n ) 状态。其中u p 和d o w n 同时为l 的情况不会发生。其 工作原理可用如下的状态图2 1 4 方便理解。 浙江人学坝 + 毕业论文一种红外名片交换芯片的研制 输入 图21 4 鉴频鉴相器状态转换图 2 4 2p f b 驱动的电荷泵 豫 电荷泵由两个带丌关的电流源组成，如图2 1 2 ，根据两个逻辑输入信号来决 定：是把电荷泵入到环路滤波器还是将电荷从环路滤波器中泵