高速強驅(qū)動自降噪光電耦合芯片設(shè)計技術(shù)研究.pdf

1、隨著光電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及光電耦合技術(shù)的廣泛應(yīng)用，光電耦合器的研究、設(shè)計及開發(fā)顯得越發(fā)重要。由于光電耦合器越來越多的出現(xiàn)在高速、強驅(qū)動的高低壓工作環(huán)境下，所以響應(yīng)速度、驅(qū)動能力以及噪聲抑制就成為制約光電耦合器發(fā)展的突出問題。傳統(tǒng)單一的設(shè)計方法很難將這三項指標(biāo)集成考慮，這就造成了融合速度、驅(qū)動能力并能穩(wěn)定工作的光電耦合器越來越成為產(chǎn)品設(shè)計中亟待解決的難點。
　　在這種背景下，本文面向應(yīng)用，從設(shè)計角度出發(fā)，重點研究光電耦合器在實際設(shè)計

2、中的關(guān)鍵技術(shù)及電路結(jié)構(gòu)。同時解決了光電耦合器響應(yīng)速度慢、驅(qū)動能力低以及噪聲抑制能力不足等諸多難題，并將三項指標(biāo)集成設(shè)計，統(tǒng)一實現(xiàn)在一款芯片中。所取得的主要研究成果為:
　　1.針對光電耦合器在實際應(yīng)用中如何實現(xiàn)高速響應(yīng)這一難題，本文設(shè)計了一款具有對稱結(jié)構(gòu)的“九宮格”式的光電檢測陣列，該檢測陣列采用“半透半遮”模式進行工作，可以有效地將入射光子轉(zhuǎn)換為光電流。同時，為了進一步保證從光電流信號到電壓信號的高速轉(zhuǎn)換，提出了一種高靈敏度的跨

3、阻放大器與對稱型光電檢測陣列配合使用，這樣不僅能夠提高從光到電的轉(zhuǎn)換速度，也可以在完成從光電流信號到電壓信號的快速轉(zhuǎn)換。相比原有的非對稱光電檢測模塊而言，本文提出的對稱型光電檢測陣列和光電轉(zhuǎn)換電路，從源頭上大大地降低了單陣列單端輸入結(jié)構(gòu)中的噪聲干擾，防止輸出端的噪聲通過襯底干擾前級電路，保證穩(wěn)定的光電流進入后級電路，實測結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全溫度范圍內(nèi)光電轉(zhuǎn)換的高速響應(yīng)和光電耦合器的穩(wěn)定工作。
　　2.針對如何提高光電耦合器后級驅(qū)

4、動能力的問題，提出了光電信號前端處理電路模塊以及后端驅(qū)動電路模塊，實現(xiàn)了對弱信號和強信號的逐級處理，保證了后級電路能夠穩(wěn)定輸出強驅(qū)動電流。為了避免強電流輸出時對前級信號造成的干擾，提出多樣化的內(nèi)部電源管理模式，設(shè)計了分立式供電單元，為芯片各模塊提供穩(wěn)定電壓。從光電信號前端處理模塊開始對光電流的產(chǎn)生進行分析，依據(jù)光電流的理論計算方法，在從光到電的信號處理過程中，設(shè)計了從光電流到電壓轉(zhuǎn)換的電路結(jié)構(gòu)，并對該電壓信號進行放大、比較、濾波、整形以

5、及時延調(diào)整，保證各級信號有序的流向后級電路。在后端驅(qū)動模塊中，設(shè)計了邏輯與死區(qū)時間控制模塊，不僅能夠產(chǎn)生推動驅(qū)動模塊中MOS管的驅(qū)動信號，還可以防止后級NMOS陣列和PMOS陣列同時導(dǎo)通產(chǎn)生大電流燒毀外圍電路。
　　3.針對光電耦合器作為“橋梁”工作在高低壓狀態(tài)時經(jīng)常會受到干擾的問題，提出了分級降噪與實時保護電路的設(shè)計方法。根據(jù)光電信號處理的不同階段，依次在光電信號前端處理及后端驅(qū)動模塊中加入降噪電路，從而保證在光電信號處理的過程

6、中，各級電路將噪聲降至最低，確保沒有過大的噪聲影響后級電路。為了防止正常工作狀態(tài)下輸出端高壓和強電流信號對電路初級的沖擊，在版圖的整體布局上，根據(jù)光電信號走向和主要電源信號流向，充分考慮區(qū)域隔離，確保低壓敏感信號模塊處于安全區(qū)域。
　　本文系統(tǒng)的研究了光電耦合器的響應(yīng)速度、驅(qū)動能力以及降噪性能的各項特點，研究結(jié)果通過嚴(yán)格的仿真與實驗驗證，實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的光電耦合器芯片在穩(wěn)定工作的前提下，整片上升傳輸時延是205.5ns～