基于CMOS工艺的高速光电耦合器芯片设计

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Vcathode=5V，λ=850nm时，光电流Ip=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%。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 论文设计目标与章节安排

第二章 光电探测器理论研究

2.1 光电探测器的定义及工作原理

2.2 光电二极管的性能参数

2.2.1 光电流

2.2.2 暗电流

2.2.3 量子效率

2.2.4 响应度

2.2.5 带宽

2.2.6 噪声

2.3 本章小结

第三章 光电探测器的设计及优化

3.1.1 PN结型光电探测器

3.1.2 插指结构光电探测器

3.1.3空间调制型光电探测器

3.2 DNW/P-Sub光电二极管

3.2.1 光电流特性

3.2.2 暗电流特性

3.2.3 光谱响应特性

3.2.4 响应速度特性

3.2.5 频率响应特性

3.2.6 DNW/P-Sub光电二极管的优化

3.3 双光电二极管

3.3.1 光电流特性

3.3.2 光谱响应特性

3.3.3 频率响应特性

3.3.4 DPD1的带宽提升

3.4 三光电二极管

3.4.1 TPD性能仿真

3.5 工艺制程

3.6 版图

3.7 器件的性能测试

3.7.1 光电流的测试

3.7.2 开关特性的测试

3.8 本章小结

第四章 光接收电路的设计

4.1 传统光接收电路的结构

4.2 光电二极管的等效模型

4.3 基于峰值采样光接收电路的结构

4.4 跨阻放大器的性能分析

4.4.1 增益

4.4.2 带宽

4.4.3 增益灵敏度

4.4.4 噪声

4.5 跨阻放大器的基本结构

4.5.1 共源跨阻放大器

4.5.2 共漏跨阻放大器

4.5.3 RGC结构跨阻放大器

4.6 跨阻放大器的设计

4.6.1 性能仿真

4.7 峰值采样电路的设计及仿真

4.8 比较器的设计及仿真

4.9 D触发器的设计及仿真

4.10 电路的整体仿真

4.11 传统光耦芯片版图

4.12 本章小结 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

作者攻硕期间取得的研究成果