阅读说明：本技术 一种用于可见光通信的标准cmos全差分光电集成接收机 (Standard CMOS fully-differential photoelectric integrated receiver for visible light communication ) 是由 毛陆虹 丛佳 谢生 李佳琦 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机，包括有依次连接的：用于将一对差分电流信号转换成一对差分电压信号的全差分跨阻前置放大器，用于将全差分跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理到数字处理单元所需要的电压水平的全差分限幅放大器，用于对全差分限幅放大器输出信号的频率响应特性进行补偿的全差分均衡器，以及用于将全差分均衡器输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力的差分转单端的输出缓冲级，全差分跨阻前置放大器输入端连接用于将外界传输进来的可见光信号转换成一对全差分电流信号的一对全差分光电探测器。本发明实现可见光通信接收机的集成化，提高接收机灵敏度。(A standard CMOS fully differential optoelectronic integrated receiver for visible light communication comprises the following components connected in sequence: the differential-to-single-ended output buffer stage is used for converting the differential voltage signals output by the fully differential transimpedance preamplifier into a pair of differential voltage signals, the fully differential limiting amplifier is used for amplifying the voltage signals output by the fully differential transimpedance preamplifier into the voltage level required by the digital processing unit, the fully differential equalizer is used for compensating the frequency response characteristic of the signals output by the fully differential limiting amplifier, the differential voltage signals which reach the digital voltage level and are output by the fully differential equalizer are converted into single-ended output voltage signals, the driving capability is provided, the difference is converted into the single end, and the input end of the fully differential transimpedance preamplifier is connected with a pair of fully differential photodetectors which are used for converting the visible light signals transmitted from the outside into the pair of fully differential current signals. The invention realizes the integration of the visible light communication receiver and improves the sensitivity of the receiver.)

一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机

技术领域

本发明涉及一种可见光通信的接收机。特别是涉及一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机。

背景技术

白光LED(light-emitting diode)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，可以用来进行数据通信。基于以上原因可见光通信(Visible Light Communication，简称VLC)，作为一种无线通信领域新兴的技术得以出现。室内可见光通信技术可以同时满足我们在室内对网络的需求，以及日常的室内照明。比起传统的通信技术，它的私密性及安全性更高，可以利用的频带更宽，能够免于电磁的干扰；且可以通过无线通信的方式接入，其网络覆盖面得到扩展，对空间的复用性也十分良好；在室外，汽车之间也可以通过LED灯发射可见光信号传递交换信息，避免发生交通事故等。

在可见光通信发展之初，VLC系统都是由分立的光学器件和电学器件经由印刷电路板组装而成的。但是这种系统体积巨大，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。随着可见光通信技术的不断进步，单片集成可见光通信专用芯片显示出了巨大的优势。单片集成VLC系统具有高速率、高可靠性、小体积、轻重量以及低成本的优势，代表了光电集成主流的发展方向，将会使可见光通信技术的发展向前推进。

然而在可见光系统中，LED在一定距离内产生的漫射光使到达接收器表面的光量大大减少。从而增强接收器件的灵敏度和信噪比(SNR)对保证无差错数据通信至关重要。光接收机单片集成意味着芯片收集的光功率更少，为了提高接收机的灵敏度，探测器面积势必会较大，而大的探测器面积就意味着大的结电容和长的渡越时间，这些会影响接收机的整体带宽。此外，以往针对于塑料光纤制备的集成化可见光接收机若应用于以LED作为光源的可见光通信系统中存在两个问题。其一，这些光接收机中Si光电探测器(PD)对红外光的响应度通常较高。而现在应用较广的白光LED主要通信波段却是在蓝光区。其二，针对于塑料光纤制备的集成化可见光接收机多为单端输入型或者伪差分型。单端输入型接收机具有高频稳定性差，很容易发生自激的缺点。而伪差分光接收机即差分电路两个输入端都接入相同的探测器，其中一个探测器的表面被金属遮盖。这样虽然可以克服电路高频稳定性问题，但是如上所述可见光通信的探测器面积相对较大，将其中一个探测器完全遮盖是对芯片面积的一个极大的浪费，影响光接收机的灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效提高接收机灵敏度的用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机。

本发明所采用的技术方案是：一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机，包括有依次连接的：用于将一对差分电流信号转换成一对差分电压信号的全差分跨阻前置放大器，用于将全差分跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理到数字处理单元所需要的电压水平的全差分限幅放大器，用于对全差分限幅放大器输出信号的频率响应特性进行补偿的全差分均衡器，以及用于将全差分均衡器输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力的差分转单端的输出缓冲级，所述全差分跨阻前置放大器输入端连接用于将外界传输进来的可见光信号转换成一对全差分电流信号的一对全差分光电探测器。

所述的一对全差分光电探测器包括有第一探测器和第二探测器，第一探测器是由P+/N阱/P衬底组成的，阳极连接全差分跨阻前置放大器的一个输入端，阴极连接电源VDD；第二探测器是由N+/P阱/深N阱/P衬底组成，阴极接地，阳极连接全差分跨阻前置放大器的另一个输入端，第一探测器和第二探测器所产生的光电流方向相反，第一探测器和第二探测器的电容相同，相互紧靠，且上方均没有遮光层。

本发明的一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机，在不增加集成电路制造成本的基础上实现可见光通信接收机的集成化，改善由于接收机接收到的可见光强较弱，造成的光接收机响应弱；探测器响应峰值非蓝光以及伪差分接收机中屏蔽探测器带来的芯片面积浪费问题，有效提高接收机灵敏度。本发明的技术特点是：

1、本发明提出的一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机是与标准CMOS工艺完全兼容的，不会产生任何其他成本的增加，是实现可见光接收机芯片化的有效途径，可应用于室内可见光通信系统中。

2、本发明提出的光电集成接收机具备全差分特性，即两个无金属遮挡的探测器以全差分的形式接入跨阻前置放大器两端。这样不仅提高了光接收机的稳定性，且由两个探测器同时接收光信号，使灵敏度和带宽均可达到现行单一光电探测器差分接收机的两倍，与伪差分光接收机相比可减少芯片面积浪费，增加接收机灵敏度。

3、本发明利用第一探测器的P+/N阱和第二探测器的N+/P阱组成的PN结作为全差分电路两端有效光电流产生结。这两个结为CMOS工艺中的浅结，他们对光的吸收峰值在蓝光附近，这样对以蓝光作为通信波长的可见光信号的探测器是有利的。

4、本发明所提出的第一第二探测器的结构都是由多个较小子单元组成的大面积探测器。大面积探测器是为了适应可见光通信系统中较弱的通信光强而设置的，而较大的通信面积势必会造成大的结电容和大的载流子渡越时间，而探测器的本征带宽则主要是由于载流子渡越时间影响的。所以本发明提出的全差分探测器则是由多个小单元组成的，这样能够有效的减小探测器的载流子渡越时间，有效增加探测器的本征带宽。另外通过有效的调节两个探测器最小单元的尺寸，可以使两个探测器对蓝光的本征带宽尽量相同，且为较高带宽，这样有助于提高全差分接收机的性能。

附图说明

图1是本发明用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机的电路结构原理图；

图2是本发明中全差分探测器的结构俯视图；

图3是图2的A－A的剖面结构示意图；

图4a是本发明中全差分探测器正常工作时第一探测器的等效电路模型；

图4b是本发明中全差分探测器正常工作时第二探测器的等效电路模型。

图中

1：P型衬底 2：N阱区

3：深N阱区 4：P阱区

5：第一探测器阴极 6：第二探测器阴极

7：深N阱区外接有源区 8：第一探测器阳极

9：第二探测器阳极 10：P型衬底外接有源区

12：第一探测器阴极电极 13：第一探测器阳极电极

14：第二探测器阳极电极 15：第二探测器阴极电极

16：深N阱外接电极 17：P型衬底外接地电极

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机，包括有依次连接的：用于将一对差分电流信号转换成一对差分电压信号的全差分跨阻前置放大器DTIA，用于将全差分跨阻前置放大器DTIA输出的电压信号进行放大处理到数字处理单元所需要的电压水平的全差分限幅放大器DLMA，用于对全差分限幅放大器DLMA输出信号的频率响应特性进行补偿，以确保输出信号的带宽不低于入射光信号的带宽，从而减小高频信号成分的损失的全差分均衡器DEQU，以及用于将全差分均衡器DEQU输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力的差分转单端的输出缓冲级DFSO，所述全差分跨阻前置放大器DTIA输入端连接用于将外界传输进来的可见光信号转换成一对全差分电流信号，并为后续的差分接收电路提供一对相同的输入负载的一对全差分光电探测器PD1、PD2。

所述的一对全差分光电探测器包括有第一探测器PD1和第二探测器PD2，第一探测器PD1是由P+/N阱/P衬底组成的，阳极连接全差分跨阻前置放大器DTIA的一个输入端，阴极连接电源VDD；第二探测器PD2是由N+/P阱/深N阱/P衬底组成，阴极接地，阳极连接全差分跨阻前置放大器DTIA的另一个输入端，第一探测器PD1和第二探测器PD2所产生的光电流方向相反，第一探测器PD1所产生的光电流的方向是流入与之相连的全差分跨阻前置放大器DTIA，第二探测器PD2光电流的方向是流出与之相连的全差分跨阻前置放大器DTIA。另外为了给差分电路提供一对对称的输入负载，第一探测器PD1和第二探测器PD2的电容相同，相互紧靠，且二者上方均没有遮光层。

所述的一对全差分光电探测器PD1、PD2以全差分形式接入全差分跨阻前置放大器DTIA的两个输入端，其中流入全差分跨阻前置放大器DTIA的光电流由第一探测器PD1的P+/N阱和第二探测器PD2的N+/P阱这两个PN结产生，这两个PN结为标准CMOS工艺中的浅结，对光波响应峰值在460nm，即蓝光区。所述的一对全差分探测器PD1、PD2要在具有深N阱或类似三阱结构的标准CMOS工艺下制作。

所述的第一探测器PD1面积为400μm×400μm由若干个面积为40μm×40μm的子单元组成；所述的第二探测器PD2面积为380μm×380μm由多个面积为10μm×10μm的子单元组成。两个探测器具有相同电容值，将大面积的探测器分成小单元能够有效减少光生载流子的渡越时间。而两个探测器的子单元不同是因为，两个探测器基本结构不同，造成了同样结构二者对蓝光的响应带宽不同。为提高接收机性能，使接收机前端输入对称，调整两个探测器子单元的尺寸以使二者本征带宽一致。

如图2、图3所示，所述的第一探测器PD1和第二探测器PD2共用一个P型衬底1，所述P型衬底1上并排嵌入有N阱区2和深N阱区3，所述P型衬底1内围绕所述N阱区2和深N阱区3的外周且临近P型衬底1的上端面嵌入有P型衬底外接有源区10，其中，所述的N阱区2内临近上端面嵌入有若干个第一探测器阳极8，所述若干个第一探测器阳极8组成方阵结构，所述的N阱区2内临近上端面且围绕每个所述的第一探测器阳极8都嵌入有第一探测器阴极5，所述深N阱区3内嵌入有P阱区4，所述深N阱区3内临近上端面且围绕所述的P阱区4嵌入有深N阱区外接有源区7，所述P阱区4内临近上端面嵌入有若干个第二探测器阴极6，所述若干个第二探测器阴极6组成方阵结构，所述P阱区4内临近上端面且围绕每个第二探测器阴极6都嵌入有第二探测器阳极9，所述P型衬底1、N阱区2和P阱区4的上端面：对应所述的外接有源区10引出有P型衬底外接地电极17，对应所述的第一探测器阴极5引出有第一探测器阴极电极12，对应每个所述的第一探测器阳极8引出有第一探测器阳极电极13，对应所述的深N阱区外接有源区7引出有深N阱外接电极16，对应每个所述的第二探测器阴极6都引出有一个第二探测器阴极电极15，对应每个所述的第二探测器阳极9都引出一个第二探测器阳极电极14。

N阱区2与第一探测器阳极8形成全差分探测器中的第一探测器PD1，引出有第一探测器阴极电极12和第一探测器阳极电极13；P阱区4和第二探测器阴极6组成全差分探测器中的第二探测器PD2，引出有第二探测器阳极电极14和第二探测器阴极电极15。当全差分探测器工作时，第一探测器阴极电极12接电源电压VDD，第一探测器阳极电极13连接到全差分跨阻前置放大器的一个输入端(IN1)；第二探测器阳极电极14接地GND，第二探测器阴极电极15连接到全差分跨阻前置放大器的另一个输入端(IN2)。此时，该对全差分探测器的等效电路模型如图4所示，其中第一探测器PD1所产生的光生电流将流入全差分跨阻前置放大器DTIA，而第二探测器PD2所产生的光生电流将流出全差分跨阻前置放大器DTIA。为保证探测器全差分结构工作正常，在电路设计时还需使第一探测器阳极电极13和第二探测器阴极电极15的直流电压(或全差分跨阻前置放大器DTIA的输入端直流电压)为VDD/2，以保证其中的两个探测器都处于同等反向偏压下。因为两个探测器表面都无金属遮挡且结构相似，电容相等，本征带宽相同，故他们具有相同的光频响应特性。全差分跨阻前置放大器的两个输入端有相等的输入负载，从而使本发明的差分接收机的灵敏度相对集成单一光电探测器的光接收机的灵敏度增加了一倍。

全差分跨阻前置放大器DTIA、全差分限幅放大器DLMA、全差分均衡器DEQU和差分转单端的输出缓冲级DFSO都是采用标准CMOS工艺来实现的。其中全差分跨阻前置放大器DTIA的设计应通过参数调整使其两个输入端的直流电压等于电源电压VDD的一半，以保证这对全差分探测器具有相同的工作状态和相似等效电路；全差分限幅放大器DLMA是由多级的低增益高带宽的全差分放大器级联组成的，它具有足够大的增益和比全差分跨阻前置放大器DTIA高得多的带宽，以除将全差分跨阻前置放大器DTIA输出的差分电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平外，保证信号的无损传输；全差分均衡器DEQU是电路设计的重点，光电探测器面积较大，电容会较大，而大的电容势必会影响整个电路带宽，均衡器就是通过适当设计对全差分限幅放大器DLMA输出信号的频率响应特性进行补偿，以确保电路输出的带宽不低于如入射光信号的带宽，从而减小高频信号成分的损失。差分转单端的输出缓冲级DFSO作为分光接收机的最后一级，不提供增益，但具有比整个差分光接收机高的多的带宽和足够大的电流。它将全差分均衡器DEQU输出差分电压信号转换成单端电压信号；并将信号无损地传输到后续的数字处理单元，或者传输到示波器以便对被传输信号进行观测。

此外，本发明的一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机的各个部分均可采用标准CMOS工艺来实现，可大大降低光接收机成本。由于绝大部分的后续数字单元已实现标准CMOS化，因而本发明的一种用于可见光通信的标准CMOS全差分光电集成接收机可以与后续数字处理单元实现单片集成，从而可很方便地引入电子的逻辑处理、存储、只能控制等功能，使可见光接收机实现更为强大的功能。故本发明具有很好的应用前景。