基于CMOS工艺的高速光电耦合器芯片设计

发布时间：2020-04-02 01:02

【摘要】：光电耦合器作为光电领域中最重要的器件之一,由于其良好的电气隔离特性在医疗,军事和通信等领域发挥着不可取代的作用。为了达到光电耦合器高集成度、降低开发成本、易于封装的目的,本文基于CMOS工艺进行硅基的光电探测器和CMOS光接收电路的单片集成。光电探测器作为光电耦合器的一个设计核心,性能方面需要保证足够大的带宽和高响应度。本文从CMOS工艺下的光电探测器的基本结构开始分析,在相应的理论基础上设计了三种光电二极管,分析了DNW/P-Sub光电二极管,双光电二极管和三光电二极管的性能,对不同结构的器件带宽做了优化仿真,并以两两为对照通过仿真提出了提升带宽的方法。最后经测试并按照光耦芯片要求的设计指标选择了DNW/P-Sub光电二极管作为芯片的光电探测器,仿真结果表明:在V_(cathode)=5V,λ=850nm时,光电流I_p=6.38μA,响应度R=0.17A/W,带宽f_(-3dB)=70MHz。光电二极管中存在光生慢扩散电流影响着器件的带宽并且会导致光接收电路输出的脉宽失真和带宽,本文研究了频率和脉宽失真之间的关系。针对此问题,论文在传统光接收电路中加入了峰值采样电路,整体光接收电路模块包括:跨阻放大器、峰值采样电路、比较器、D触发器。本文着重阐述了峰值采样电路采样到的波峰信号在光接收电路中的作用,分析了新型光接收电路对脉宽失真的改善效果。介绍了跨阻放大器的三类基本结构和性能参数,在共源跨阻放大器的基础上设计了有局部负反馈的结构。光接收电路的仿真结果表示:跨阻放大器的-3dB带宽为62.5MHz,跨阻增益为100kΩ;比较器的延迟为0.18ns;整体电路模拟部分的带宽为20MHz,最终输出的波形的占空比为66%,脉宽失真为3.5ns,对传统模式下的光接收电路波形占空比的改善高达30%。
【图文】：

采用扩展性SO-8封装的光电耦合器

中电集团第四十四所高速光电耦合器产品图
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN43;TN15

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本文编号：2611216