用于工業(yè)控制塑料光纖通信的光電集成接收芯片的研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)方式正逐步被自動化的生產(chǎn)方式取代。工人僅操作控制面板，將生產(chǎn)指令經(jīng)傳輸媒介傳達(dá)至自動化設(shè)備末端進(jìn)行生產(chǎn)的方式是大勢所趨。作為傳輸指令的載體，采用傳統(tǒng)的銅線進(jìn)行傳輸已無法確保數(shù)據(jù)完整性及工業(yè)精準(zhǔn)度。符合“光進(jìn)銅退”環(huán)保政策的新興材料——塑料光纖(Plastic Optical Fiber, POF)因具有優(yōu)異的電磁抗擾性和易接續(xù)、低成本的特性，日漸廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、車載網(wǎng)絡(luò)、音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N短距離通

2、信領(lǐng)域。工業(yè)控制中，POF的使用可以隔離共模電壓，抑制接地回路噪聲和共模噪聲，消除電火花產(chǎn)生的可能，從而在大噪聲和高共模電壓的環(huán)境下保證了設(shè)備的安全性和數(shù)據(jù)的完整性。
　　目前POF通信收發(fā)器普遍低頻性能較差，靈敏度較低，成本較高，難以滿足工業(yè)控制領(lǐng)域低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇罅啃枰?。為了實現(xiàn)POF在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，低速率POF收發(fā)芯片的開發(fā)必不可少。基于此，本文提出采用低成本的標(biāo)準(zhǔn)硅(Si)基CMOS工藝自主研發(fā)應(yīng)用于低速工業(yè)控制領(lǐng)

3、域的650nm單片集成光接收芯片OEIC200和OEIC500以適應(yīng)不同速率工控環(huán)境的需要。
　　本文主要研究工作和成果包括以下方面:
　　(1)應(yīng)用Silvaco軟件，基于0.5μm CMOS工藝，對空間調(diào)制(SpatiallyModulated，SM)光電探測器(Photodetector, PD)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模與仿真，并得到了優(yōu)化的PD結(jié)構(gòu)。采用華潤上華科技有限公司(CSMC)0.5μm CMOS工藝制備了該結(jié)構(gòu)的PD，

4、測試了PD的特性。測試結(jié)果表明，反偏電壓為2.5V時，PD單位面積結(jié)電容為3.16×10-4pF/μtm2，響應(yīng)度0.12A/W。
　　(2)為了適應(yīng)不同速率工控環(huán)境的需要，本文設(shè)計了工作頻段為1MHz～155MHz，集成了面積為200×200μm2 SM PD的光接收芯片(OEIC200)。采用改進(jìn)型可調(diào)節(jié)共源共柵(Regulated Cascode，RGC)跨阻放大器作為前置放大器，改進(jìn)型Cherry-Hooper放大器作為限

5、幅放大器，f(T)倍頻器作為輸出緩沖器，對各個單元及芯片整體進(jìn)行了仿真。采用CSMC0.5μm CMOS工藝制備了OEIC200并測試了芯片的特性。測試結(jié)果表明，速率155Mbps且誤碼率小于10-9時，OEIC200芯片靈敏度可達(dá)-17.5dBm，眼圖較清晰。
　　(3)設(shè)計了工作頻段為1KHz～1MHz，集成了面積為500×500μm2SMPD的光接收芯片(OEIC500)。采用共源級負(fù)反饋跨阻放大器作為前置放大器，并增加自動

6、增益控制(Auto-gain Control，AGC)模塊以增大芯片的動態(tài)范圍。對芯片進(jìn)行了封裝并測試了芯片的特性，結(jié)果表明，速率低至10Kbps時，OEIC500芯片可接收的最小光功率為30.2μW。自主搭建了低速M序列發(fā)生器，并對其進(jìn)行編碼，將編碼后的信號作為OEIC500的輸入進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示OEIC500可以準(zhǔn)確接收到該信號，從而證明OEIC500實現(xiàn)了低速數(shù)據(jù)傳輸。
　　本文的創(chuàng)新點如下:
　　(1)采用Si