阅读说明：本技术 用于可见光通信的bc类氮化镓mos管推挽式发射驱动器 (Push-pull emission driver of BC-class gallium nitride MOS (metal oxide semiconductor) tube for visible light communication ) 是由 王秀宇 唐伎伶 李�亨 毛旭瑞 于 2019-08-08 设计创作，主要内容包括：一种用于可见光通信的BC类氮化镓晶体管推挽式发射驱动器,用于可见光通信系统的发射部分,包括有：信号处理电路,用于将接收到的输入信号转换成两路差分信号,再进行放大处理后输出；LED光发射机推挽驱动电路,LED光发射机推挽驱动电路与信号处理电路的输出端相连,通过两个电压输入端具有压差的推挽电路接收信号处理电路的两路差分信号,去驱动和调制位于源端的发光二极管LED通过明和暗的转换实现信号驱动,并通过透镜聚焦输出。本发明B-C类功率放大的推挽结构,提升了发射机开关速度和效率,使发射机的驱动管处于高效率、高速率,信号功率放大处于B-C类功率放大,使导通角减小,减少了和载流子抽取重叠时间,提高了整个系统效率。(A class BC gallium nitride transistor push-pull emission driver for visible light communications, for use in an emission portion of a visible light communications system, comprising: the signal processing circuit is used for converting the received input signals into two paths of differential signals, and then outputting the differential signals after amplification processing; the LED light emitter push-pull driving circuit is connected with the output end of the signal processing circuit, receives two paths of differential signals of the signal processing circuit through the push-pull circuit with the voltage difference at the two voltage input ends, drives and modulates the light emitting diode LED at the source end to realize signal driving through light and dark conversion, and focuses and outputs the signals through the lens. The push-pull structure of B-C type power amplification of the invention improves the switching speed and efficiency of the transmitter, enables the driving tube of the transmitter to be in high efficiency and high speed, enables the signal power amplification to be in B-C type power amplification, reduces the conduction angle, reduces the time of overlapping with the extraction of carriers, and improves the efficiency of the whole system.)

用于可见光通信的BC类氮化镓MOS管推挽式发射驱动器

技术领域

本发明涉及一种氮化镓晶体管推挽式发射驱动器。特别是涉及一种用于可见光通信的BC类功率放大的氮化镓MOS管新型推挽结构发射驱动器。

背景技术

近年来，随着发光二极管(LED)的普及，可见光通信(Visible LightCommunication)技术发展越来越迅速。同时，LED也逐渐成为了照明的发光光源，高功率发光LED由于其高效率、长寿命和低功耗等特点，以及其具有更宽的调制带宽和低复杂性，将满足于人们照明的同时也适用于高速通信。由此，越来越多被用于照明与可见光通信共存的设计，备受研究人员的关注与研究。

如图1所示为可见光通信的系统总框图，主要是由发射机的LED驱动器和接收机组成，在可见光通信系统的发射机中，需要设计LED驱动电路对信号进行发送，需要对系统的物理带宽，传输速率，系统传输效率等进行考虑。目前，大多研究人员很少考虑LED驱动器的功率效率和实际照明功率，LED通信系统发射机波特率做到1Mbps的系统效率有81.5％。而这样的效率、传输速率实际并不能满足LED驱动发射机的需求。因此，可见光通信系统中LED驱动器发射机需要更高系统效率、高功率和更高的传输速率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提升发射机的速率和系统效率的用于可见光通信的BC类氮化镓MOS管推挽式发射驱动器。

本发明所采用的技术方案是：一种用于可见光通信的BC类氮化镓晶体管推挽式发射驱动器，用于可见光通信系统的发射部分，包括有：

信号处理电路，用于将接收到的输入信号转换成两路差分信号，再进行放大处理后输出；

LED光发射机推挽驱动电路，所述的LED光发射机推挽驱动电路与信号处理电路的输出端相连，通过两个电压输入端具有压差的推挽电路接收信号处理电路的两路差分信号，去驱动和调制位于源端的发光二极管LED通过明和暗的转换实现信号驱动，并通过透镜聚焦输出。

所述的信号处理电路包括有：将输入信号转换成两路差分信号的巴伦差分信号转换电路和连接在巴伦差分信号转换电路输出端接收两路差分信号的氮化镓放大驱动电路，所述氮化镓放大驱动电路分别将两路差分信号进行放大后输出给LED光发射机推挽驱动电路。

所述的巴伦差分信号转换电路是由第一巴伦变压器T1和第二巴伦变压器T2构成，其中，所述第一巴伦变压器T1初级线圈的一端通过电容C1连接输入信号，另一端接地，所述第一巴伦变压器T1次级线圈的一端构成控制信号输出Control，连接LED光发射机推挽驱动电路的控制输入端，另一端通过第一隔直电容C2连接第二巴伦变压器T2初级线圈的一端，第二巴伦变压器T2初级线圈的另一端接地，所述第二巴伦变压器T2次级线圈的一端构成第一路差分信号，通过第二隔直电容C3连接氮化镓放大驱动电路的一个信号输入端，第二巴伦变压器T2次级线圈的另一端构成第二路差分信号，通过第三隔直电容C4连接氮化镓放大驱动电路的另一个信号输入端。

所述的氮化镓放大驱动电路是由第一共源放大器和第二共源放大器构成，其中，所述第一共源放大器的信号输入端连接第二隔直电容C3的输出端，接收第一路差分信号，所述第一共源放大器的输出端构成放大后的同相差分输出信号Vin-p，连接LED光发射机推挽驱动电路的一个驱动输入端；所述第二共源放大器的信号输入端连接第三隔直电容C4的输出端，接收第二路差分信号，所述第二共源放大器的信号输出端构成放大后的反相差分输出信号Vin-n，连接LED光发射机推挽驱动电路的另一个驱动输入端。

所述的第一共源放大器和第二共源放大器结构相同，均包括有：第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的栅极构成输入端连接巴伦差分信号转换电路的差分信号输出端，所述的栅极还通过第一电阻R1或第五电阻R5连接电压VDD，以及通过第二电阻R2或第六电阻R6接地，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的源极通过第四电阻R4或第八电阻R8接地，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的漏极构成放大后的差分信号输出端，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的漏极还通过第三电阻R3或第七电阻R7连接电压VDD；其中，第一共源放大器中的第一氮化镓MOS管M1的栅极构成信号输入端，通过第二隔直电容C3连接巴伦差分信号转换电路输出的第一路差分信号，漏极构成放大后的同相差分输出信号Vin-p，第二共源放大器中的第二氮化镓MOS管M2的栅极通过第三隔直电容C4连接巴伦差分信号转换电路输出的第二路差分信号，漏极构成放大后的反相差分输出信号Vin-n。

所述的LED光发射机推挽驱动电路包括有由第三氮化镓MOS管M3和第四氮化镓MOS管M4构成的用于驱动发光二极管LED的推挽电路，以及并联在所述发光二极管LED上的使发射机的速率不受限制的可调节剩余载流子抽取电路，其中，构成推挽电路的第三氮化镓MOS管M3的栅极连接信号处理电路输出的同相差分输出信号Vin-p，第三氮化镓MOS管M3的漏极连接第一输入电压VLED1，第四氮化镓MOS管M4的栅极连接信号处理电路输出的反相差分输出信号Vin-n，第四氮化镓MOS管M4的漏极连接第二输入电压VLED2，第三氮化镓MOS管M3和第四氮化镓MOS管M4的源极共同构成驱动信号输出端连接发光二极管LED，去驱动和调制发光二极管LED的输出，并且所述第三氮化镓MOS管M3的漏极和源极之间连接有第一续流二极管D1，所述第四氮化镓MOS管M4的漏极和源极之间连接有第二续流二极管D2。

所述的第一输入电压VLED1大于第二输入电压VLED2。

所述的可调节剩余载流子抽取电路包括有第五氮化镓MOS管M5和连接在所述第五氮化镓MOS管M5栅极上的与或门XOR，所述第五氮化镓MOS管M5的漏极通过第十电阻连接在发光二极管LED的输入端，所述第五氮化镓MOS管M5的源极连接在所述发光二极管LED的接地端，所述与或门XOR的输出端连接所述第五氮化镓MOS管M5的栅极，所述与或门XOR的一个输入端直接连接信号处理电路的控制信号输出Control，所述与或门XOR的另一个输入端通过一个由第九电阻R9和第五电容C5构成的RC电路连接信号处理电路的控制信号输出Control。

使信号处理电路中的第一共源放大器和第二共源放大器的静态工作电压小于LED光发射机推挽驱动电路中构成推挽电路的第三氮化镓MOS管M3和第四氮化镓MOS管M4的开启电压，则发光二极管LED处于导通时的导通角小于90度，即处于BC类功率放大状态。

本发明的用于可见光通信的BC类氮化镓MOS管推挽式发射驱动器，B-C类功率放大的推挽结构使发射机的驱动管处于高效率、高速率，具有很大的应用价值。具有如下优点：

1.本发明采用具有更小导通电阻，更低开关损耗等优点的新型氮化镓场效应晶体管作为LED驱动管提升了开关速度和效率。

2.采用了新型的推挽结构去驱动LED使驱动高功率LED的发射机的使用效率提升并且不会降低驱动速率；让LED处于明暗转换以提升速度，同时驱动功率器件处于开关状态得以提升发射机整个系统的效率。并且设计了对LED结电容剩余载流子抽取电路，使发射机的速率不受限制。

3.信号功率放大处于B-C类功率放大，使导通角减小，减少了和载流子抽取重叠时间，提高了整个系统效率。

综上所述，本发明提出的新型B-C类功率放大推挽结构驱动电路发射机将具有良好的应用前景。

附图说明

图1是现有技术可见光通信的系统总框图；

图2是本发明用于可见光通信的BC类氮化镓MOS管推挽式发射驱动器的框图；

图3是本发明中信号处理电路的电路原理图；

图4是本发明中LED驱动电路的电路原理图；

图5是B类功率放大导通角示意图；

图6是本发明中B-C类功率放大导通角示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的用于可见光通信的BC类氮化镓MOS管推挽式发射驱动器做出详细说明。

本发明的用于可见光通信的BC类氮化镓MOS管推挽式发射驱动器，采用氮化镓场效应晶体管作为驱动管，并设计了新型B-C类功率放大的推挽结构使发射机的驱动管处于高效率、高速率，具有很大的应用价值。

如图2所示，本发明的用于可见光通信的BC类氮化镓MOS管推挽式发射驱动器，用于可见光通信系统的发射部分，包括有：

信号处理电路1，用于将接收到的输入信号a转换成两路差分信号，再进行放大处理后输出；LED光发射机推挽驱动电路2，所述的LED光发射机推挽驱动电路2与信号处理电路1的输出端相连，通过两个电压输入端具有压差的推挽电路接收信号处理电路1的两路差分信号，去驱动和调制位于源端的发光二极管LED通过明和暗的转换实现信号驱动，并通过透镜(3)聚焦输出。

如图3所示，所述的信号处理电路1包括有：将输入信号a转换成两路差分信号的巴伦差分信号转换电路11和连接在巴伦差分信号转换电路11输出端接收两路差分信号的氮化镓放大驱动电路12，所述氮化镓放大驱动电路12分别将两路差分信号进行放大后输出给LED光发射机推挽驱动电路2。

所述的巴伦差分信号转换电路11是由第一巴伦变压器T1和第二巴伦变压器T2构成，其中，所述第一巴伦变压器T1初级线圈的一端通过电容C1连接输入信号a，另一端接地，所述第一巴伦变压器T1次级线圈的一端构成控制信号输出Control，连接LED光发射机推挽驱动电路2的控制输入端，另一端通过第一隔直电容C2连接第二巴伦变压器T2初级线圈的一端，第二巴伦变压器T2初级线圈的另一端接地，所述第二巴伦变压器T2次级线圈的一端构成第一路差分信号，通过第二隔直电容C3连接氮化镓放大驱动电路12的一个信号输入端，第二巴伦变压器T2次级线圈的另一端构成第二路差分信号，通过第三隔直电容C4连接氮化镓放大驱动电路12的另一个信号输入端。

所述的氮化镓放大驱动电路12是由第一共源放大器121和第二共源放大器122构成，其中，所述第一共源放大器121的信号输入端连接第二隔直电容C3的输出端，接收第一路差分信号，所述第一共源放大器121的输出端构成放大后的同相差分输出信号Vin-p，连接LED光发射机推挽驱动电路2的一个驱动输入端；所述第二共源放大器122的信号输入端连接第三隔直电容C4的输出端，接收第二路差分信号，所述第二共源放大器122的信号输出端构成放大后的反相差分输出信号Vin-n，连接LED光发射机推挽驱动电路2的另一个驱动输入端。

所述的第一共源放大器121和第二共源放大器122结构相同，均包括有：第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的栅极构成输入端连接巴伦差分信号转换电路11的差分信号输出端，所述的栅极还通过第一电阻R1或第五电阻R5连接电压VDD，以及通过第二电阻R2或第六电阻R6接地，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的源极通过第四电阻R4或第八电阻R8接地，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的漏极构成放大后的差分信号输出端，所述第一氮化镓MOS管M1或第二氮化镓MOS管M2的漏极还通过第三电阻R3或第七电阻R7连接电压VDD；其中，第一共源放大器121中的第一氮化镓MOS管M1的栅极构成信号输入端，通过第二隔直电容C3连接巴伦差分信号转换电路11输出的第一路差分信号，漏极构成放大后的同相差分输出信号Vin-p，第二共源放大器122中的第二氮化镓MOS管M2的栅极通过第三隔直电容C4连接巴伦差分信号转换电路11输出的第二路差分信号，漏极构成放大后的反相差分输出信号Vin-n。

如图4所示，所述的LED光发射机推挽驱动电路2包括有由第三氮化镓MOS管M3和第四氮化镓MOS管M4构成的用于驱动发光二极管LED的推挽电路21，以及并联在所述发光二极管LED上的使发射机的速率不受限制的可调节剩余载流子抽取电路22，其中，构成推挽电路21的第三氮化镓MOS管M3的栅极连接信号处理电路1输出的同相差分输出信号Vin-p，第三氮化镓MOS管M3的漏极连接第一输入电压VLED1，第四氮化镓MOS管M4的栅极连接信号处理电路1输出的反相差分输出信号Vin-n，第四氮化镓MOS管M4的漏极连接第二输入电压VLED2，第三氮化镓MOS管M3和第四氮化镓MOS管M4的源极共同构成驱动信号输出端连接发光二极管LED，去驱动和调制发光二极管LED的输出，并且所述第三氮化镓MOS管M3的漏极和源极之间连接有第一续流二极管D1，所述第四氮化镓MOS管M4的漏极和源极之间连接有第二续流二极管D2。并且，所述的第一输入电压VLED1大于第二输入电压VLED2

所述的可调节剩余载流子抽取电路22包括有第五氮化镓MOS管M5和连接在所述第五氮化镓MOS管M5栅极上的与或门XOR，所述第五氮化镓MOS管M5的漏极通过第十电阻连接在发光二极管LED的输入端，所述第五氮化镓MOS管M5的源极连接在所述发光二极管LED的接地端，所述与或门XOR的输出端连接所述第五氮化镓MOS管M5的栅极，所述与或门XOR的一个输入端直接连接信号处理电路1的控制信号输出Control，所述与或门XOR的另一个输入端通过一个由第九电阻R9和第五电容C5构成的RC电路连接信号处理电路1的控制信号输出Control。

如图4所示，通过信号处理电路得到两路差分信号分别从两个对称的氮化镓MOS管M3、M4的栅极输入，同时两个氮化镓MOS管M3、M4的漏极分明接入两个具有压差的电压VLED1和VLED2以控制LED能处于明和暗的转换(VLED1大于VLED2)。当数据信号为1时，发光二极管LED处于明的状态，氮化镓MOS管M3开启，氮化镓MOS管M4关断；当数据信号为0时，发光二极管LED处于暗的状态，此时氮化镓MOS管M3关断，氮化镓MOS管M4开启。这样，就能保证任何一个氮化镓MOS管都作为开关使用，并且只有导通和断开两个状态，促使发光二极管LED明暗转换不会消耗额外功率，同时由于氮化镓MOS管导通电阻很小，导通时压降低，关断时无电流从而没有功率损耗。

在为了避免发光二极管LED明暗两路由于漏端电压不对称出现串扰问题，在两个氮化镓MOS管的源漏两端并联一个续流二极管。当氮化镓MOS管M3关断，氮化镓MOS管M4导通时，续流二极管D1导通，续流二极管D2关断；产生的反向电流会通过续流二极管D1并与氮化镓MOS管M4漏电流加和得到流过发光二极管LED的总电流，使得调制于发光二极管LED上的电流信号在变化时形成过冲，起到类似预加重的效果，提升了发射机的速度。由于大功率发光二极管LED的较大结电容在由明变暗时，其剩余载流子无法立即泄放，限制整个发射机的速率。由此本发明设计了如图4中所示的可调节剩余载流子抽取电路。将氮化镓MOS管M5与发光二极管LED并联，当发光二极管LED由亮变暗时，为发光二极管LED的载流子提供了一条泄放通路，并将其迅速扫除，并且采用高速异或门与RC组成的电路结构来实现氮化镓MOS管M5在信号由1变为0的瞬间导通，随后立即关闭，保证了发光二极管LED一直处于不灭的状态。

如图5、图6所示，使信号处理电路1中的第一共源放大器121和第二共源放大器122的静态工作电压V_Q1、V_Q2小于LED光发射机推挽驱动电路2中构成推挽电路21的第三氮化镓MOS管M3和第四氮化镓MOS管M4的开启电压V_th，则发光二极管LED处于导通时的导通角小于90度，即处于BC类功率放大状态。

本发明的信号处理电路1，输入信号通过巴伦转换成两路差分信号，然后通过氮化镓MOS管设计的共源放大电路进行放大，然后输入到推挽式氮化镓MOS管驱动器。其静态工作点电压如下式所述：

而只有当输入信号静态工作点电压V_Q大于氮化镓MOS管的开启电压V_th时，氮化镓MOS管才能处于开启状态。如图5所示，当信号被共源放大至静态工作电压刚好V_Q等于开启电压V_th，信号的正半部分让氮化镓MOS管处于开启状态，此时导通角正好等于90°，类似于射频通信中的B类功率放大器。为了对系统效率进行进一步提高，通过减小导通角，让功率放大处于类似B-C类功率放大。如图6所示，通过减小共源放大电路的静态工作电压V_Q，此时信号正半部分只有电压大于开启电压V_th的部分让氮化镓MOS管处于开启状态，而此时的导通角小于90°处于B-C类功率放大。这样导通角减小，减少了和载流子抽取重叠时间，在氮化镓MOS管上耗散功率将进一步减小，即能提高整个系统的效率。