基于空间光调制器的非线性电光驱动电路的研制

摘要

自从上世纪八十年代以来,空间光调制器作为实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统的关键器件,得到了迅速发展。特别是由于半导体加工工艺的提高,GaAs多量子阱空间光调制器凭借其响应快、调制比大、调制灰度高、功耗低等突出优点已成为光通信领域内的研究热点。驱动电路是保证多量子阱空间光调制器正确工作及良好工作性能的关键模块,因此设计制作与之匹配的低功耗、高性能的驱动电路对多量子阱空间光调制器的发展具有重要意义。针对多量子阱空间光调制器的应用需求,本文研制了一款64×64阵列256级调制灰度的多量子阱空间光调制器驱动芯片。主要研究内容如下：1、针对空间光调制器非线性反射谱线难以直接转换为对应的线性电信号的问题,提出了“软件预处理”的概念。采用软件拟合的方法将非线性光信号转换为线性电信号,在不占用硬件资源的情况下,较好的完成了光电信号的关系转换。并且具有易于更改,灵活性强的特点；可处理各种不同的反射谱线,增强了驱动电路的通用性。2、为了解决高分辨率驱动电压带来的像素面积过大的问题,提出了二次扫描积分的方法。该方法根据目标电压值将积分升压过程分解为二个不同时钟频率的处理过程,先大幅升压,再调节精度。在保持驱动电压分辨率不变的基础上,将一次扫描积分中像素单元面积减小了一半,同时还大大降低了时钟频率,减小了时钟频率过快带来的各种不良影响。3、通过对电流源开关网络开关噪声产生机理的深入分析,设计了一款新型的开关网络结构。该结构将开关对电容的噪声影响转移为对电流源MOS管控制栅的噪声影响,并将开关噪声的幅度有效的控制在电流源的误差允许范围内,从而成功的对积分电容进行噪声隔离,消除了MOS管开关的非理想特性对积分电压精度的影响。该结构在保持电路结构简单、功耗低的同时,提高了输出精度。4、设计了一款与温度、电源无关的带隙基准电流源。该电流源利用三极管自身的正、负温度特性,产生一个与温度无关的参考电压；并使用运算放大器构成负反馈环路提高电源抑制比,从而使输出电压与电源电压无关；通过外置电阻最大程度的减小基准电流受温度的影响。测试结果表明该电流源的温度系数为8.7×10-6/℃,在2.6V-4V的电源电压下均能正常工作,达到了系统要求。5、通过对4×4阵列电流放大法驱动电路、2×4阵列电阻放大法驱动电路的设计、仿真、投片及测试,对驱动电路像素单元的结构、性能及精度进行了深入分析。进一步改进电路结构,最终完成了64×64像素阵列驱动芯片的投片及测试。芯片测试结果表明,芯片具有较好的工作性能,其驱动电压摆幅接近于0-VDD,驱动电压分辨率可调,最高可达256级。在50MHz的时钟频率下,帧速可达到20K/s。像素单元的版图面积仅为65μm×65μm,能够与多量子阱空间光调制器倒装在一起,满足多量子阱空间光调制器对驱动电路的各种要求。

目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 多量子阱空间光调制器的发展

1.2 多量子阱空间光调制器的驱动电路的研究目的及发展现状

1.3 驱动电路的实现工艺

1.4 驱动电路芯片的封装技术

1.5 课题来源及论文主要内容

1.6 论文的组织结构

2 多量子阱空间光调制器及其驱动电路的工作原理

2.1 多量子阱空间光调制器的工作原理

2.2 多量子阱空间光调制器的研制方法

2.3 驱动电路的工作原理

2.4 驱动电路的性能参数

2.4.1 阵列尺寸

2.4.2 像素尺寸(像素中心距)

2.4.3 最大帧扫描速度

2.4.4 单个像素的响应速度

2.4.5 功耗

2.4.6 驱动电压分辨率

2.4.7 驱动电压摆幅

2.5 本章小结

3 驱动电路的设计思想及其非线性电光处理

3.1 MQW SLM的电学性能与等效模型

3.2 应用于MQW SLM的驱动电路的设计

3.3 MQW SLM的非线性电光处理

3.3.1 一次计数直接拟合法预处理单元

3.3.2 二次计数逐步接近拟合法预处理单元

3.4 小结

4 电流放大法的驱动芯片研制

4.1 驱动电路的设计思想

4.2 驱动电路的模块化设计

4.2.1 像素单元的设计

4.2.2 行列地址单元

4.2.3 控制单元

4.2.4 十六选一开关电路

4.2.5 基准电流源

4.3 驱动电路的时序与仿真

4.3.1 驱动电路的时序

4.3.2 驱动电路的仿真

4.4 驱动电路的版图设计

4.4.1 像素单元的版图设计

4.4.2 控制单元和行列地址单元的版图设计

4.4.3 基准电流源的版图设计

4.4.4 整体电路的版图设计

4.5 驱动电路的芯片测试

4.5.1 静电防护

4.5.2 芯片测试工具

4.5.3 测试结果及分析

4.6 小结

5 电阻放大法的驱动芯片研制

5.1 驱动电路的设计思想

5.2 驱动电路的模块化设计

5.2.1 像素单元的设计

5.2.2 行列地址的设计

5.2.3 控制电路

5.2.4 带隙基准电流源

5.3 驱动电路的时序与仿真

5.3.1 驱动电路的时序

5.3.2 驱动电路的仿真

5.4 驱动电路的版图设计

5.4.1 像素单元的版图设计

5.4.2 控制单元和行列地址单元的版图设计

5.4.3 基准电流源的版图设计

5.4.4 整体电路的版图设计

5.5 驱动电路的芯片测试

5.5.1 芯片封装

5.5.2 测试的主要内容

5.5.3 测试结果及分析

5.6 小结

6 二次扫描积分法的驱动芯片研制

6.1 驱动电路的设计思想

6.2 驱动电路的模块化设计

6.2.1 像素单元的电路设计

6.2.2 单元电路的功耗优化和面积优化设计

6.2.3 行列地址的设计

6.2.4 外围数字电路

6.3 驱动电路的时序与仿真

6.3.1 驱动电路的时序

6.3.2 驱动电路的仿真

6.4 64×64驱动电路的版图设计

6.4.1 驱动电路与多量子阱空间光调制器的物理接口

6.4.2 驱动电路的版图布局

6.4.3 驱动电路像素阵列的版图设计

6.4.4 版图验证

6.4.5 测试版的版图设计

6.5 二次扫描积分法的驱动芯片测试

6.5.1 芯片封装

6.5.2 测试的主要内容

6.5.3 测试方法

6.5.4 测试结果及分析

6.6 小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 论文创新点

7.3 展望

7.3.1 性能上的改进

7.3.2 功能上的改进

致谢

参考文献

攻读博士期间发明专利

攻读博士期间发表文章