CN100574103C - Cmos硅发光二极管驱动电路 - Google Patents

Cmos硅发光二极管驱动电路 Download PDF

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Abstract

一种CMOS硅发光二极管驱动电路，其特征在于，包括：一输入阻抗匹配电路；一差分信号放大电路，该差分信号放大电路接收输入阻抗匹配电路的信号，该差分信号放大电路将输入小信号进行放大；一源跟随器电路，该源跟随器电路接收差分信号放大电路的信号，该源跟随器电路起到隔离信号和降低电平的作用；一输出电路，该输出电路与源跟随器电路连接，实现差分输入变单端输出，能为光发射二极管提供足够的电压和电流驱动。

Description

CMOS硅发光二极管驱动电路
技术领域
本发明涉及一种发光二极管驱动电路，特别涉及一种CMOS硅发光二极管驱动电路。
背景技术
随着标准集成电路工艺特征尺寸的迅速减小，器件的密度和费用得到很大改善。然而，电学互连线上的能量损耗及电磁干扰已经成为制约硅基微电子集成电路发展的瓶颈。光互连依据其在传输带宽、抗干扰能力及能量消耗上的明显优势，有望成为解决这一问题的有效途径。硅材料是微电子集成电路工艺的主要材料，在超大规模集成电路方面发挥了极为重要的作用。利用硅作为基本材料，采用成熟的标准集成电路工艺制作光电子器件和光电子集成回路，在成本上和工艺成熟度上具有无可比拟的优势，必将成为制作光电子芯片和解决电互连问题的首选方案。
CMOS硅发光二极管是硅基光电子集成回路的重要组成部分。该发光二极管工作在反向偏置电压下，当偏置电压超过二极管的阈值电压，二极管击穿，并发射光子。保证该发光二极管偏置电压达到阈值电压，并维持反向击穿工作模式是CMOS硅发光二极管驱动电路设计的重点。该驱动电路主要功能是将输入的差分小信号转变为CMOS硅发光二极管所需要的驱动电压，并提供足够大的驱动电流。本发明的CMOS硅发光二极管驱动电路充分考虑了CMOS硅发光二极管的工作需要。该驱动电路能为CMOS硅发光二极管提供足够的电压和电流驱动，而且适合于与硅基光电子集成回路中其它器件进行单片集成。
发明内容
本发明的目的在于实现一种CMOS硅发光二极管驱动电路，该电路能实现信号的差分输入到单端输出的转换，并将输入的小信号进行足够的放大，能为CMOS硅发光二极管提供足够的电压和电流驱动。
本发明一种CMOS硅发光二极管驱动电路，其特征在于，包括：
一输入阻抗匹配电路；
一差分信号放大电路，该差分信号放大电路接收输入阻抗匹配电路的信号，该差分信号放大电路将输入小信号进行放大；
一源跟随器电路，该源跟随器电路接收差分信号放大电路的信号，该源跟随器电路起到隔离信号和降低电平的作用；
一输出电路，该输出电路与源跟随器电路连接，实现差分输入变单端输出，能为光发射二极管提供足够的电压和电流驱动。
其中输出电路包括：
一个折叠共源共栅模块，该模块采用由PMOS管组成的电流源做负载，实现了信号的差分输入到单端输出的转换；
一个反相器，该反相器采用电流降结构，具有较大的输出电压摆幅，起到了一定的缓冲作用；
一个输出PMOS管，该输出PMOS管的源极接高电位，栅极接前面反相器的输出端，漏极作为整个CMOS硅发光二极管驱动电路的输出端。
其中输入阻抗匹配电路提供50欧姆的输入阻抗，便于不同模块之间的阻抗匹配。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是CMOS硅发光二极管驱动电路的结构框图。
图2是输入阻抗匹配电路10拓扑结构图。
图3是差分信号放大电路11与源跟随器电路12拓扑结构图。
图4是输出电路13拓扑结构图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明一种CMOS硅发光二极管驱动电路，其特征在于，包括：
一输入阻抗匹配电路10；该输入阻抗匹配10电路提供50欧姆的输入阻抗，便于不同模块之间的阻抗匹配；
一差分信号放大电路11，该差分信号放大电路11接收输入阻抗匹配电路的信号，该差分信号放大电路11将输入小信号进行放大；
一源跟随器电路12，该源跟随器电路12接收差分信号放大电路11的信号，该源跟随器电路12起到隔离信号和降低电平的作用；
一输出电路13，该输出电路13与源跟随器电路12连接，实现差分输入变单端输出，能为光发射二极管提供足够的电压和电流驱动；
该输出电路13包括：
一个折叠共源共栅模块131，该模块采用由PMOS管组成的电流源做负载，实现了信号的差分输入到单端输出的转换；
一个反相器132，该反相器132采用电流降结构，具有较大的输出电压摆幅，起到了一定的缓冲作用；
一个输出PMOS管133，该输出PMOS管133的源极接高电位，栅极接前面反相器132的输出端，漏极作为整个CMOS硅发光二极管驱动电路的输出端。
实施例
本发明是一种CMOS硅发光二极管驱动电路，具体结构参见图1、图2、图3和图4所示。该驱动电路主要包括输入阻抗匹配电路10、差分信号放大电路11、源跟随器电路12、输出电路13等四个模块。输入阻抗匹配电路10提供50欧姆的输入阻抗，便于不同模块之间的阻抗匹配；差分信号放大电路11将输入小信号进行放大；源跟随器电路12起到隔离信号和降低电平的作用；输出电路13部分由一个折叠共源共栅模块131、一个反相器132和一个输出PMOS管133构成，实现差分输入变单端输出，能为CMOS硅发光二极管提供足够的电压和电流驱动。
本发明的CMOS硅发光二极管驱动电路采用标准CMOS工艺流片制作而成，基本原理为：采用通信中标准的差分信号作为输入信号，经输入阻抗匹配电路10输入到差分放大电路11进行信号放大；差分信号放大电路11的输出信号经过源跟随器电路12，使电平降低，并成为后一级电路模块的输入信号；折叠共源共栅模块131将输入的差分信号进行进一步的放大，并实现差分输入到单端输出的转变，其输出信号控制反相器132的输入端，反相器132的输出信号控制输出PMOS管133的栅极，该输出PMOS管133的漏极作为整个电路的输出端，如图4所示。本发明的CMOS硅发光二极管驱动电路结构简单，实用性强，能为CMOS硅发光二极管提供足够的电压和电流驱动。
CMOS硅发光二极管驱动电路的设计步骤如下所述：
设计输入阻抗匹配电路10：
输入阻抗匹配电路10如图2所示，其主要作用为提供50欧姆的输入阻抗，便于不同模块之间的阻抗匹配。端口Inn与Inp为信号的输入端口。PMOS管MP0与NMOS管MN0采用二极管连接方式进行连接，起到了分压的作用。本发明的CMOS硅发光二极管驱动电路输入信号为通信中标准的差分信号，其波形为矩形波，则假设其高电平为VIH，低电平为VIL。调解MP0管与MN0管的沟道宽度(W)与沟道长度(L)的比值，使节点A的电压达到VIH与VIL的平均值，即
VA＝(VIH+VIL)/2
电阻R1与R2的阻值均为50欧姆。输入信号由端口Inn和Inp输入，经过输入阻抗匹配电路10由端口In1和In2输出，产生下一级电路的输入信号。
设计差分信号放大电路11和源跟随器12电路：
差分信号放大电路11和源跟随器电路12的基本结构如图3所示。其中，差分信号放大电路11采用PMOS管作为负载的差分对结构。施加适当的偏置电压Vb使MN3管工作在饱和区，通过调解MN1管、MN2管、MP1管、MP2管的沟道宽度(W)与沟道长度(L)的比值，使输入的小信号得到足够的放大。NMOS管MN4与MN5、MN6与MN7分别构成了简单的源跟随器电路12，其作用为隔离信号和降低电平。
设计输出电路13：
输出电路13的结构如图4所示，输出电路13部分由一个折叠共源共栅模块131、一个反相器132和一个输出PMOS管133构成，该输出电路13的输入端In3、In4分别与前一级源跟随器电路12的输出端Ou1、Out2相连接。折叠共源共栅模块131采用由PMOS管组成的电流源做负载，实现了信号的差分输入到单端输出的转换。通过调解MN8管、MN9管、MP3管、MP4管的沟道宽度(W)与沟道长度(L)的比值，能将输入信号进一步放大。反相器132电路结构如图4所示，该反相器采用电流降(current-sink)结构，具有较大的输出电压摆幅，起到了一定的缓冲作用。反相器132的输出信号通过控制输出PMOS管133(MP6管)的栅极，从而控制输出端(Out端)的电压和电流。该输出PMOS管133的源极接高电位(VDD)，栅极接前面反相器132的输出端，漏极作为整个CMOS硅发光二极管驱动电路的输出端。为了使该电路具有较大的驱动能力，MP6管应具有较大的沟道宽度(W)。
本发明的CMOS硅发光二极管驱动电路结构简单，实用性强，能为CMOS硅发光二极管提供足够的电压和电流驱动。在整个电路中，偏置电压(Vb)取值为1.2V。在电源电压(Vdd)为5V时，电路的输出电压摆幅可以达到4V以上，电路的输出电流可以达到30mA以上。而且，本发明的CMOS硅发光二极管驱动电路充分考虑了CMOS硅发光二极管的工作需要，适合于与硅基光电子集成回路中其它器件进行单片集成，将在光通信系统中发挥一定的作用。

Claims (2)

1、一种CMOS硅发光二极管驱动电路，其特征在于，包括：
一输入阻抗匹配电路；
一差分信号放大电路，该差分信号放大电路接收输入阻抗匹配电路的信号，该差分信号放大电路将输入小信号进行放大；
一源跟随器电路，该源跟随器电路接收差分信号放大电路的信号，该源跟随器电路起到隔离信号和降低电平的作用；
一输出电路，该输出电路与源跟随器电路连接，实现差分输入变单端输出，能为光发射二极管提供足够的电压和电流驱动；
该输出电路包括：
一个折叠共源共栅模块，该模块采用由PMOS管组成的电流源做负载，实现了信号的差分输入到单端输出的转换；
一个反相器，该反相器采用电流降结构，具有较大的输出电压摆幅，起到了一定的缓冲作用；
该折叠共源共栅模块的输出信号控制反相器的输入端；
一个输出PMOS管，该输出PMOS管的源极接高电位，栅极接前面反相器的输出端，漏极作为整个CMOS硅发光二极管驱动电路的输出端。
2、根据权利要求1所述的CMOS硅发光二极管驱动电路，其特征在于，其中输入阻抗匹配电路提供50欧姆的输入阻抗，便于不同模块之间的阻抗匹配。
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