高速強(qiáng)驅(qū)動(dòng)自降噪光電耦合芯片設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)驅(qū)動(dòng)的高低壓工作環(huán)境下，所以響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)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(jì)方法很難將這三項(xiàng)指標(biāo)集成考慮，這就造成了融合速度、驅(qū)動(dòng)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(jì)中亟待解決的難點(diǎn)。
　　在這種背景下，本文面向應(yīng)用，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，重點(diǎn)研究光電耦合器在實(shí)際設(shè)計(jì)

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

3、阻放大器與對(duì)稱型光電檢測(cè)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(hào)到電壓信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換。相比原有的非對(duì)稱光電檢測(cè)模塊而言，本文提出的對(duì)稱型光電檢測(cè)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(jí)電路，保證穩(wěn)定的光電流進(jìn)入后級(jí)電路，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)實(shí)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(duì)如何提高光電耦合器后級(jí)驅(qū)

4、動(dòng)能力的問題，提出了光電信號(hào)前端處理電路模塊以及后端驅(qū)動(dòng)電路模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)的逐級(jí)處理，保證了后級(jí)電路能夠穩(wěn)定輸出強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流。為了避免強(qiáng)電流輸出時(shí)對(duì)前級(jí)信號(hào)造成的干擾，提出多樣化的內(nèi)部電源管理模式，設(shè)計(jì)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(hào)前端處理模塊開始對(duì)光電流的產(chǎn)生進(jìn)行分析，依據(jù)光電流的理論計(jì)算方法，在從光到電的信號(hào)處理過程中，設(shè)計(jì)了從光電流到電壓轉(zhuǎn)換的電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大、比較、濾波、整形以

5、及時(shí)延調(diào)整，保證各級(jí)信號(hào)有序的流向后級(jí)電路。在后端驅(qū)動(dòng)模塊中，設(shè)計(jì)了邏輯與死區(qū)時(shí)間控制模塊，不僅能夠產(chǎn)生推動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊中MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，還可以防止后級(jí)NMOS陣列和PMOS陣列同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生大電流燒毀外圍電路。
　　3.針對(duì)光電耦合器作為“橋梁”工作在高低壓狀態(tài)時(shí)經(jīng)常會(huì)受到干擾的問題，提出了分級(jí)降噪與實(shí)時(shí)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)光電信號(hào)處理的不同階段，依次在光電信號(hào)前端處理及后端驅(qū)動(dòng)模塊中加入降噪電路，從而保證在光電信號(hào)處理的過程

6、中，各級(jí)電路將噪聲降至最低，確保沒有過大的噪聲影響后級(jí)電路。為了防止正常工作狀態(tài)下輸出端高壓和強(qiáng)電流信號(hào)對(duì)電路初級(jí)的沖擊，在版圖的整體布局上，根據(jù)光電信號(hào)走向和主要電源信號(hào)流向，充分考慮區(qū)域隔離，確保低壓敏感信號(hào)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(dòng)能力以及降噪性能的各項(xiàng)特點(diǎn)，研究結(jié)果通過嚴(yán)格的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)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(shí)延是205.5ns～