本發(fā)明涉及一種可見光通信電路。特別是涉及一種采用CMOS工藝實現(xiàn)的基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電子科技的高速發(fā)展，智能設(shè)備的用戶總數(shù)和普及率逐年大幅度增加，隨之增長的是人們對高速寬帶多媒體通信的需求。此時傳統(tǒng)射頻通信出現(xiàn)頻譜資源緊張的態(tài)勢，加之電磁輻射干擾等因素的局限,以及人們?nèi)找嬷匾曒椛鋵ι眢w健康的影響，促使產(chǎn)生了一種能夠拓寬頻譜的資源，通過綠色節(jié)能的LED燈為傳輸基站的通信方式——可見光通信。

可見光通信作為一種無線通信領(lǐng)域新興的技術(shù)，是在白光LED技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。和傳統(tǒng)的照明光源相比，白光LED是一種杰出的綠色照明光源，它的亮度高、尺寸小、功耗低、驅(qū)動容易、使用壽命長、綠色環(huán)保，特別是響應(yīng)靈敏度很高，擁有良好的調(diào)制特性，因此可以用來進行數(shù)據(jù)通信。

室內(nèi)可見光通信，相比于常見的電磁波無線通信，具有不占用無線電頻譜資源、保密性好、無電磁輻射等優(yōu)點，而且兼顧照明和通信兩種功能，因此VLC技術(shù)具備廣闊的發(fā)展前景，已經(jīng)引起研究者們的普遍關(guān)注和深入研究。

對可見光通信系統(tǒng)的研究在近兩年開始興起。然而白光LED調(diào)制帶寬窄的缺點嚴(yán)重限制了信號的傳輸速率，這也成為制約LED技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為解決這一問題，均衡技術(shù)逐漸引起人們注意。此外，設(shè)計用于可見光通信的整體獨立光發(fā)射電路的專用集成電路處于創(chuàng)新研發(fā)階段，這方面鮮有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種將可見光通信的發(fā)射端集成于一個芯片，整體采用的CMOS工藝單片集成，實現(xiàn)了LED調(diào)制帶寬展寬的基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路，是由預(yù)加重電路和驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成，具體包括有第一至第六MOS管，其中，第一MOS管的柵極和漏極連接第一外部電源，第一MOS管的源極、第二MOS管的柵極和漏極以及第三MOS管的柵極共同通過第一電容連接外部脈沖信號，所述第二MOS管源極接地，所述第三MOS管的源極分別通過第二電阻接地，以及通過第三電阻和第二電容的串聯(lián)接地，所述第三MOS管的漏極分別連接第四MOS管的柵極，以及通過第一電阻連接第一外部電源，所述第四MOS管的源極分別通過第五電阻接地，以及通過第六電阻和第三電容的串聯(lián)接地，所述第四MOS管的漏極分別連接第五MOS管的柵極，以及通過第四電阻連接第一外部電源，所述第五MOS管的源極分別通過第七電阻接地，以及連接第六MOS管的柵極，所述第五MOS管的漏極連接第一外部電源，所述第六MOS管的源極通過第八電阻接地，所述第六MOS管的漏極連接紅光LED的負極，所述紅光LED的正極通過第九電阻連接第二外部電源。

本發(fā)明的一種基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路，使用模擬預(yù)均衡技術(shù)提升LED有限的調(diào)制帶寬，將可見光通信的發(fā)射端集成于一個芯片，整體采用的CMOS工藝單片集成，實現(xiàn)了LED調(diào)制帶寬的展寬，使可見光通信系統(tǒng)向集成化邁出重要一步。本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、采用模擬預(yù)加重的方式對LED做出均衡補償，能夠很好地與LED的線性失真進行匹配，極大地展寬VLC系統(tǒng)的帶寬。

2、采用電流源加鎮(zhèn)流電阻的方式驅(qū)動LED，使電路更加簡單高效，而且電流的匹配性能高。

3、采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使可見光通信系統(tǒng)芯片化，使用成熟先進的半導(dǎo)體工藝CMOS技術(shù)，代替了現(xiàn)有的通過分立元器件的方式搭建的可見光通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了VLC系統(tǒng)的高度集成化，減小了系統(tǒng)體積，降低了成本。為可見光通信的芯片行業(yè)注入新的活力。

4、基于新興的可見光通信技術(shù)，實現(xiàn)了可見光環(huán)境下的數(shù)據(jù)發(fā)射功能，與傳統(tǒng)的射頻通信技術(shù)相比，具有適用性廣，抗干擾保密性強，無電磁輻射對人體無害等優(yōu)點，在危險品存放和特殊場所物品檢測方面有諸多優(yōu)勢。

綜上所述，本發(fā)明提出的基于可見光通信的發(fā)射機專用集成電路結(jié)構(gòu)和實施方法具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路的電路原理圖；

圖2是本發(fā)明應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖中：

1：預(yù)加重電路 2：驅(qū)動電路

3：光電探測器 4：跨阻放大器

5：限幅放大器

圖3a是測試紅光LED在VLC系統(tǒng)中的響應(yīng)頻率的發(fā)送端Bias-Tee的電路原理圖；

圖3b是測試紅光LED在VLC系統(tǒng)中的響應(yīng)頻率的接收端的電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路做出詳細說明。

本發(fā)明的一種基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路，包括兩級預(yù)加重電路，負責(zé)補償由于LED的線性失真造成的帶寬下降，從而展寬VLC系統(tǒng)的物理帶寬，通過模擬預(yù)加重的方式對LED的非線性失真做出了補償，提高了可見光通信系統(tǒng)的物理帶寬；還包括一級LED驅(qū)動電路，采用電流源加鎮(zhèn)流電阻的方式驅(qū)動，其作用是提供給LED合理的工作流，使其工作在線性區(qū)域內(nèi)。

本發(fā)明采用了標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，將可將光通信系統(tǒng)與半導(dǎo)體通信芯片產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，用于可見光通信的芯片將為整個通信芯片行業(yè)注入新的活力。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路，是由預(yù)加重電路和驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成，具體包括有第一至第六MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6，其中，第一MOS管M1的柵極和漏極連接第一外部電源VDD1，第一MOS管M1的源極、第二MOS管M2的柵極和漏極以及第三MOS管M3的柵極共同通過第一電容C1連接外部脈沖信號IN，所述第二MOS管M2源極接地，所述第三MOS管M3的源極分別通過第二電阻R2接地，以及通過第三電阻R3和第二電容C2的串聯(lián)接地，所述第三MOS管M3的漏極分別連接第四MOS管M4的柵極，以及通過第一電阻R1連接第一外部電源VDD1，所述第四MOS管M4的源極分別通過第五電阻R5接地，以及通過第六電阻R6和第三電容C3的串聯(lián)接地，所述第四MOS管M4的漏極分別連接第五MOS管M5的柵極，以及通過第四電阻R4連接第一外部電源VDD1，所述第五MOS管M5的源極分別通過第七電阻R7接地，以及連接第六MOS管M6的柵極，所述第五MOS管M5的漏極連接第一外部電源VDD1，所述第六MOS管M6的源極通過第八電阻R8接地，所述第六MOS管M6的漏極連接紅光LED D的負極，所述紅光LED D的正極通過第九電阻連接第二外部電源VDD2。

本發(fā)明的一種基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路包含兩級預(yù)加重電路以及LED驅(qū)動電路。通過利用預(yù)加重電路的高通特性與LED的幅頻響應(yīng)曲線相匹配。通過預(yù)加重電路來補償LED的線性失真，達到展寬LED調(diào)制帶寬的目的。第一MOS管M1和第二MOS管M2以紅光LED方式連接組成分壓電阻，給電路提供合理的直流偏置。組成帶源級負反饋的共源級放大器，其反饋由一個電阻電容的并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，由于電容的阻直流通交流的特性，在低頻下這個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高阻值，在高頻下呈現(xiàn)低阻值，這就體現(xiàn)了電路的高通特性。在沒有加反饋時，第一級共源級電路的帶寬為

${\mathrm{\ω}}_{3dB}=\frac{1}{\[r_0//R_1\](C_{DB}//C_L)}$

r₀為第三MOS管M3的溝道電阻，R₁為負載電阻，C_DB為漏區(qū)與襯底之間的結(jié)電容。C_L為負載電容，在本電路中為從第三MOS管M3漏級看進去到地的電容。加入源級負反饋后電路帶寬變?yōu)?/p>

${\mathrm{\ω}}_{3dB}=\frac{1}{\[r_0//R_D\](C_{DB}+C_L)}(1+R_Z{g}_m)$

其中g(shù)_m為小信號跨導(dǎo)。在ω_3dB附近

通過上述公式，我們可以計算第一級預(yù)加重電路的響應(yīng)幅度，第二級預(yù)加重電路計算方法與上面相同。第二級預(yù)加重電路的加入使整個系統(tǒng)可以補償兩個不同頻率的響應(yīng)并且使整個系統(tǒng)的線性度更好。同時第二級預(yù)加重電路能夠使輸出信號的相位與輸入信號的相位相同。第五MOS管M5作為源跟隨器起到電壓緩沖器的作用，第六MOS管M6作為大功率輸出管驅(qū)動LED工作在線性區(qū)域內(nèi)。VDD1是芯片的供電電壓為1.8V，VDD2作為紅光LED的供電電壓為2.2V，因為紅光LED的典型工作電壓為2.0V，所以不能使用芯片的供電電壓來給其供電，而要提供額外的電壓源使其工作在線性區(qū)。通過仿真得到合理的各元件參數(shù)，使其電路的響應(yīng)頻率曲線能夠較好的補償LED的線性失真，從而提高系統(tǒng)物理帶寬。

如圖2所示，本發(fā)明的一種基于可見光通信的發(fā)射端專用集成電路應(yīng)用于LED調(diào)制驅(qū)動電路中構(gòu)成LED可見光通信系統(tǒng)，其主要由發(fā)射端和接受端兩部分組成。發(fā)射端電路主要由預(yù)加重電路和驅(qū)動電路構(gòu)成，由信號源發(fā)出的信號經(jīng)由預(yù)加重電路提高了高頻響應(yīng)，彌補了LED的線性失真，通過設(shè)計的驅(qū)動電路來驅(qū)動紅光LED，使其發(fā)出帶有信息的明暗交替的光。接收端電路由光電探測器PIN接受光信號變?yōu)殡娏餍盘?，后?jīng)跨阻放大器(TIA)將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后經(jīng)過限幅放大器(AP)輸出到示波器顯示出來。

如圖3a、圖3b所示，針對可見光通信系統(tǒng)，采用信號發(fā)生器和示波器來測量LED的頻率響應(yīng)曲線，測量裝置如圖3a、圖3b所示。在發(fā)射端如圖3a所示，從信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號通過Bias-T加載到由恒流源驅(qū)動的LED上，此時LED就會發(fā)出明暗交替的閃爍調(diào)制信號。在接受端，由光電探測器探測到光信號轉(zhuǎn)換為電流信號經(jīng)過TIA以及AP的放大處理輸出到示波器上進行觀測，其電路原理圖如圖3b所示。保持信號發(fā)生器輸出電壓幅度不變，在低頻點開始增大信號源的頻率，接收端探測到的信號電壓會逐漸降低，當(dāng)其值下降到低頻下的0.707倍時，此時的頻率為該LED的-3dB帶寬。