CN102684778B - 一种红外接收器及其输入端频率响应的改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外接收器及其输入端频率响应的改善方法，其中红外接收器包括依次连接的内置光敏二极管(LED-r)的输入单元、前置放大器、可变增益放大器、限幅器、第二带通滤波器、解调器和输出单元，还包括连接在可变增益放大器与解调器输出端之间的自动增益控制器以及与第二带通滤波器控制端连接的对应频率调整控制单元，所述输入单元还内置含光敏二极管内部等效结电容(CPD)的第一带通滤波器，第一带通滤波器的控制端电连接对应频率调整控制单元；方法包括将第一带通滤波器中心频率调整到红外遥控信号的载波频率上。这种红外接收器及其方法，改善输入端频率响应、在增加输入信号选择性的同时扩展了对直流光电流噪声的承受范围。

Description

一种红外接收器及其输入端频率响应的改善方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术，具体涉及一种红外接收器及其输入端频率响应的改善方法。

背景技术

目前，红外频段无需国家相关部门审批，兼容性好，红外接收电路广泛应用于各个领域，如家电、玩具等，除了红外遥控信号外，红外接收器所接收到的信号通常还包括各种噪声，这些噪声信号主要来自于各种环境光，包括阳光、白炽灯和荧光灯等。阳光和白炽灯产生的噪声是白噪声即直流光电流噪声；荧光灯产生的噪声，频率在100Hz到几十KHz之间，即交流光电流噪声。

传统的红外接收器，电路方框结构如图1所示，包括依次电连接的输入单元、前置放大器、可变增益放大器、限幅器、带通滤波器、解调器和输出单元，还包括电连接在所述可变增益放大器与所述解调器输出端之间的自动增益控制器以及与所述带通滤波器控制端电连接的对应频率调整控制单元。其中：

输入单元包括一个检测外部红外线输入信号并将其转化成电信号的光敏二极管LED-r；

而前置放大器用于将输入单元产生的微弱电信号放大到能被适当控制的强度；

前置放大器的输出信号被送入一个可变增益放大器，该放大器的增益可以被适当的控制；

可变增益放大器的输出信号通过限幅器再次放大并限幅后被送到带通滤波器，该带通滤波器的中心频率被频率调整控制单元调整到红外遥控信号的载频上以滤除通带外的噪声；

带通滤波器的输出被送到解调器，解调器将信号中的载波滤除，而只输出信号的包络；

解调器输出的包络信号被分别送到自动增益控制器和输出单元，自动增益控制器按照解调器的输出信号是噪声信号还是正常遥控信号，产生一个增益控制电流或电压，去控制可变增益放大器的增益，从而抑制噪声并正常放大遥控信号；

输出单元将解调器输出的包络信号进行波形整形后再输出到红外接收器的外部，这样就完成了红外信号的检测、放大、滤波和解调的整个过程。

为了让输入单元中的光敏二极管LED-r能正常检测红外信号，必须使其工作在光致电导模式即反向偏置状态，此时，光敏二极管LED-r负极电压大于其正极电压。传统红外接收器一般采用如图2所示电路结构的输入单元为光敏二极管LED-r提供反向偏置电压并抑制直流光电流噪声。

图2中，由电阻R1～R3和NMOS管N1、N2组成的电阻网络的等效电阻Rin如下面公式(1)所示，

$\mathrm{Rin}=R3+\frac{\mathrm{Ron}2[R2(R1+\mathrm{Ron}1)+R1\·\mathrm{Ron}1]}{(\mathrm{Ron}2+R2)(R1+\mathrm{Ron}1)+R1\·\mathrm{Ron}1}---\left(1\right)$

其中：

Ron1、Ron2分别是NMOS管N1、N2的漏-源等效电阻，电流I 1表示流经电阻R1的电流，电流I2表示流经电阻R2的电流，电流Ip表示流经电阻R3的电流，Vr表示光敏二极管的反向偏置电压。在直流光电流噪声较小的情况下，I1＝I2＝Ip，Vr＝VREF1-Ip＊(R1+R2+R3)；随着直流光电流噪声强度的增加，I1不断增加，当电阻R1上的电压降I1＊R1大于NMOS管N1的开启电压时，N1开启，Rin减小，从而减缓了Vr的下降速度，当直流光电流噪声强度继续增加，电阻R2上的电压降I2＊R2大于NMOS管N2的开启电压后，N2开启，Rin进一步减小，从而进一步减缓了Vr的下降速度。

在保证Vr大于零电平的情况下，这种电阻网络电路最大可以承受几十uA的直流光电流，为达到此目的，这种电路的等效输入电阻Rin通常只能达到几十千欧，因此，传统输入单元是以牺牲光电流-电压转换增益为代价来达到直流抑制目的，这是其缺点之一；并且当输入的直流光电流噪声过强时(大于100uA)，NMOS管N1和N2的电流会趋于饱和，电压Vr下降的速度不能进一步减小，当电压Vr下降过大时，甚至可能使光敏二极管正向导通，从而无法正常接收红外信号，这是传统输入单元的又一个缺点。

当考虑光敏二极管的结电容时，结电容和等效输入电阻Rin组成一个低通滤波器。图3为光敏二极管的等效电路图，D1为理想二极管，ISRC为光电流，IL为暗电流，CPD为结电容，RPD为漏电阻，RS为体电阻。

当光敏二极管处于正常的反向偏置运用时，漏电阻RPD很大，体电阻RS很小，故RPD和RS都可以忽略不计，此时传统输入单元的交流等效电路如图4所示，结电容CPD和等效输入电阻Rin组成的低通滤波器的截止角频率如公式(2)所示：

$\mathrm{\ω}1=\frac{1}{\mathrm{Rin}\·\mathrm{CPD}}---\left(2\right)$

其中，工作于反向偏置状态下的结电容CPD满足下式：

$\mathrm{CPD}=\frac{C_o}{{(1+\frac{V_r}{U_D})}^m}---\left(3\right)$

其中：C0为CPD在反偏电压Vr＝0时的相应电容值，由光敏二极管的面积和工艺决定；UD为结内建电势，m为电容变化指数，UD和m由工艺决定；Vr为电容上的外加反向偏置电压。

在各种不同的电路应用中，CPD变化很大，一般在10pF～100pF之间，而在不同的环境光线下，直流光电流的变化使得Vr变化，从而也使得CPD变化，另外，VRE F1不稳定也会使得CPD变化，这些都会造成ω1变化很大，使得传统输入单元的频率响应变差，尤其当Rin较大时，ω1可能会小于红外遥控信号的载波频率，从而不能正常工作，这是传统输入单元的第三个缺点。

综上所述，传统的红外电路输入结构，其电阻不能太大，阻值过大的电阻会导致输入检测电路的带宽过小，甚至低于红外遥控信号的载波频率，使得红外接收器的接收灵敏度变差甚至完全不能接收到红外遥控信号，所以只能采用阻值较小的电阻，但是，阻值较小的电阻又会使得输入单元的光电流-电压转换增益较小。另一方面，电阻串联到电路的直流通路上的结构使得该输入单元所能承受的最大直流光电流噪声较小，当出现很强的直流光干扰时，光敏二极管没有工作在反向偏置状态，电路不能正常工作，而且直流光电流的变化也会使输入单元的频率响应变差。

为了解决传统技术承受直流光电流噪声较小的缺点，中国发明专利“用于红外接收系统跨阻前置放大器的直流干扰抑制电路”，申请号为200910071996.4，公开了一种新方法，该方法用一个由两个跨导放大器和一个电容构成的回转器实现的有源电感代替传统输入单元中的电阻网络，利用电感的阻抗在直流时为零，在交流时很大的特点，使得输入单元所能承受的直流光电流噪声大大增强，并且光敏二极管的反偏电压也不受直流光电流的影响。但是，该专利并没有考虑到光敏二极管的结电容的不利影响，当考虑光敏二极管的结电容时，该专利输入单元的交流等效电路如图5所示，结电容CPD和电感L的并联电路组成了一个带通滤波器，其中心角频率如公式(4)所示，

$\mathrm{\ω}2=\frac{1}{\sqrt{L\·\mathrm{CPD}}}---\left(4\right)$

由于在各种不同的电路应用中，CPD变化很大，如果不对带通滤波器的中心角频率ω2进行调整，则ω2很可能远远偏离红外遥控信号的载波频率，使得其它频段的噪声进入红外接收器，或者使得红外接收器的接收灵敏度变差甚至完全不能接收到红外遥控信号。

为了解决上述问题，本发明提出了一种在红外接收器中利用光敏二极管结电容、配合一个电感构成带通滤波器以改善输入端频率响应的方法，并给出了较佳实施例。该方法在增加输入信号选择性的同时，还可以扩展输入单元对直流光电流噪声的承受范围。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种红外接收器及其输入端频率响应的改善方法，能改善红外接收器输入端的频率响应并增强抑制直流光电流噪声的能力，以便更好的接收红外遥控信号。

本发明的上述第一个技术问题这样解决：构建一种红外接收器，包括依次电连接的内置光敏二极管的输入单元、前置放大器、可变增益放大器、限幅器、第二带通滤波器、解调器和输出单元，还包括电连接在所述可变增益放大器与所述解调器输出端之间的自动增益控制器以及与所述第二带通滤波器控制端电连接的对应频率调整控制单元，所述输入单元还内置含所述光敏二极管内部等效结电容的第一带通滤波器，第一带通滤波器的控制端电连接对应频率调整控制单元。

按照本发明提供的红外接收器，优选下面(一)：

(一)所述频率调整控制单元是同一个；

(二)所述对应频率调整控制单元包括第一频率调整控制单元和第二频率调整控制单元，分别对应第一带通滤波器和第二带通滤波器。

按照本发明提供的红外接收器，第一带通滤波器包括所述光敏二极管内部等效结电容及与所述光敏二极管串联电连接的可变电感；所述第一带通滤波器对应频率调整控制单元控制电连接所述可变电感，所述可变电感两端分别对应电连接所述前置放大器的二输入端。

按照本发明提供的红外接收器，所述可变电感是可变电感器件或复数个固定电感构成的可变电感组件。

按照本发明提供的红外接收器，第一带通滤波器包括所述光敏二极管内部等效结电容及与所述光敏二极管串联电连接的固定电感；所述第一带通滤波器对应频率调整控制单元控制电连接用于改变电压调整所述等效结电容大小的可变电压源，所述可变电压源依次串联电连接所述固定电感和光敏二极管；所述固定电感两端分别对应电连接所述前置放大器的二输入端。

按照本发明提供的红外接收器，第一带通滤波器还包括与所述电感并联电连接的电阻。

按照本发明提供的红外接收器，第一带通滤波器还包括串接在所述光敏二极管与所述电感之间的电阻。

按照本发明提供的红外接收器，第一带通滤波器还包括与所述光敏二极管并联电连接的电阻。

按照本发明提供的红外接收器，该红外接收器还包括为所述输入单元提供电源的带隙基准及电压源，电压源根据需要选择可变或固定电压源。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构造一种红外接收器输入端频率响应的改善方法，包括以下具体步骤：

利用光敏二极管内部等效结电容，配合一个感性的电抗器件或电路单元构成带通滤波器，并通过一个频率调整控制单元将其中心频率调整到红外遥控信号的载波频率上；

将等效阻抗在直流时为零、在交流时很大的所述感性电抗器件或电路单元与所述光敏二极管串接，扩展输入单元对直流光电流噪声的承受范围。

本发明提供的红外接收器及其输入端频率响应的改善方法，与现有技术相比，具有以下优势：

1、利用光敏二极管结电容、配合一个电感构成带通滤波器以改善输入端频率响应；

2、增加输入信号选择性的同时，还可以扩展输入单元对直流光电流噪声的承受范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是传统的红外接收器电路方框结构示意图；

图2是图1中输入单元的传统电路结构示意图；

图3是光敏二极管等效电路结构示意图；

图4是图2所示传统输入单元对应的交流等效电路简化结构示意图；

图5是带有源电感的输入单元的等效电路结构示意图；

图6是本发明的红外接收器的第一实施例电路结构示意图；

图7是图6中由可变电感、电阻和光敏二极管组成的输入单元电路结构示意图；

图8是图7所示输入单元对应等效电路结构示意图；

图9是本发明的红外接收器的第二实施例电路结构示意图；

图10是图9中由固定电感、电阻和光敏二极管组成的输入单元电路结构示意图；

图11是图10所示输入单元对应等效电路结构示意图；

图12是图6或9中输入单元电路结构二示意图

图13是图6或9中输入单元电路结构三示意图。

具体实施方式

首先，说明本发明的核心和出发点：

利用光敏二极管结电容CPD和一个电感L构成一个带通滤波器，以改善红外接收器输入端的频率响应，对输入的红外信号进行滤波，并扩展输入单元对直流光电流噪声的承受范围。

第二，结合本发明第一较佳实施例和第二较佳实施例进一步对本发明进行详细说明：

(一)第一较佳实施例

如图6所示，本发明的第一较佳实施例，本发明和传统红外接收器的区别在于：首先，用一个可变电感和光敏二极管的结电容组成第一带通滤波器作为输入单元；其次，增加一个带隙基准及电压源，在为光敏二极管提供稳定且精准的反偏电压的同时也能提供大的直流光电流；第三，频率调整控制单元除了调整第二带通滤波器的中心频率外，也同时调整输入单元中的第一带通滤波器的中心频率，在这里，第一带通滤波器和第二带通滤波器的中心频率也可以分别采用两个不同的频率调整控制单元进行调整，其电路原理是一样的。除了上述的区别外，本发明的其他各个单元电路的连接关系及功能和传统的红外接收器是大致相同的。

图6中的输入单元如图7所示，图7的等效电路如图8所示，其中，可变电感L1、电阻Ro1和光敏二极管LED-r的结电容CPD组成第一带通滤波器作为输入单元。图8的工作原理是：采用一个由电感L1和电阻Ro1组成的并联电路代替传统输入单元中的电阻网络，利用电感L1的阻抗在直流时为零、在交流时很大的特点，使得输入单元所能承受的直流光电流噪声大大增强，并且光敏二极管的反偏电压也不受直流光电流的影响，该反偏电压Vr＝Vref；当比较强的直流光干扰进入光敏二极管时，产生的直流光电流噪声IDC由带隙基准及电压源从Vref提供出来；因为Vref是一个稳定并且精准的电压，以确保光敏二极管有稳定而且准确的结电容CPD，所以频率调整控制单元只要根据CPD的电容值和红外遥控信号的载波频率去调整可变电感L1的电感值，就可以将输入端LC谐振频率调整到红外遥控信号的载波频率上，此时的谐振阻抗将红外遥控信号产生的光电流信号is转换为电压信号输入前置放大器，放大后的红外信号再由后续模块逐级处理。在这里，可变电感L1可以是分立器件，也可以是芯片内部的无源电感，也可以是芯片内部的有源电感；谐振阻抗Zo＝Ro1，因为直流光电流只有极少的部分流过电阻Ro1，故电阻Ro1的阻值可以是比较大的值，从而可以提高输入检测电路的光电流-电压转换增益；谐振角频率的计算可以由公式(5)得到：

$\mathrm{\ω}2=\frac{1}{\sqrt{L1\·\mathrm{CPD}}}---\left(5\right)$

(二)第二较佳实施例

如图9所示，本发明的第二个较佳实施例，该红外接收器和传统红外接收器的区别在于：首先，用一个固定电感L2和光敏二极管LED-r的结电容CPD组成第一带通滤波器作为输入单元；其次，增加一个带隙基准及可变电压源，在为光敏二极管提供稳定且精准的反偏电压的同时也能提供大的直流光电流；第三，频率调整控制单元除了调整第二带通滤波器的中心频率外，也同时调整输入单元中的第一带通滤波器的中心频率，在这里，第一带通滤波器和第二带通滤波器的中心频率也可以分别采用两个不同的频率调整控制单元进行调整，其电路原理是一样的。频率调整控制单元通过调整带隙基准及可变电压源的输出电压Vref，去调整光敏二极管LED-r的反偏电压Vr，使光敏二极管LED-r的结电容CPD随Vr的变化而变化，从而达到调整第一带通滤波器的中心频率的目的。除了上述的区别外，本发明的其他各个单元电路的连接关系及功能和传统的红外接收器是大致相同的。

图9中的输入单元如图10所示，图10的等效电路如图11所示，其中，固定电感L2，电阻Ro1和光敏二极管LED-r的结电容CPD组成第一带通滤波器作为输入单元。图11的工作原理是：采用一个由电感L2和电阻Ro1组成的并联电路代替传统输入单元中的电阻网络，利用电感L2的阻抗在直流时为零，在交流时很大的特点，使得输入单元所能承受的直流光电流噪声大大增强，并且光敏二极管LED-r的反偏电压也不受直流光电流的影响，该反偏电压Vr＝Vref；当比较强的直流光干扰进入光敏二极管LED-r时，产生的直流光电流噪声IDC由带隙基准及可变电压源从Vref提供出来；频率调整控制单元只要根据电感L2的电感值和红外遥控信号的载波频率去调整带隙基准及可变电压源的输出电压Vref，以间接调整光敏二极管的结电容CPD，就可以将输入端LC谐振频率调整到红外遥控信号的载波频率上，此时的谐振阻抗将红外遥控信号产生的光电流信号is转换为电压信号输入前置放大器，放大后的红外信号再由后续模块逐级处理。在这里，固定电感L2可以是分立器件，也可以是芯片内部的无源电感，也可以是芯片内部的有源电感；谐振阻抗Zo＝Ro1，因为直流光电流只有极少的部分流过电阻Ro1，故电阻Ro1的阻值可以是比较大的值，从而可以提高输入检测电路的光电流-电压转换增益；谐振频率的计算可以由公式(6)得到。

$\mathrm{\ω}2=\frac{1}{\sqrt{L2\·\mathrm{CPD}}}---\left(6\right)$

综合第一较佳实施例和第二较佳实施例，本发明的技术特征是：首先，本发明将原本有害的光敏二极管LED-r的结电容CPD利用起来，和一个电感构成一个带通滤波器，在滤除通带外的交流光噪声，改善输入端频率响应的同时，还可以承受大的直流光电流噪声，该带通滤波器并不需要在芯片内部增加电容，这样既改善了输入性能又节省了芯片面积；其次，图1中传统的红外接收器内部的带通滤波器即图6、图9里的第二带通滤波器是通过一个频率调整控制单元进行中心频率的调整的，本发明同时用该频率调整控制单元去分别调整第一带通滤波器和第二带通滤波器的中心频率；还有，本发明采用一个带隙基准及电压源为光敏二极管LED-r提供反向偏置电压和直流光电流，在提高光敏二极管LED-r结电容CPD的稳定性的同时，也使得光敏二极管的结电容CPD可以被精确的调整。这样本发明还包括但不限制于以下二种扩展：

本发明的等效替代方案一，如图12所示，用串接在光敏二极管LED-r与电感L之间的电阻Ro2代替图6、7、10和11中与电感L1或L2并联电连接的电阻Ro1。

本发明的等效替代方案二，如图13所示，用与光敏二极管LED-r并联的电阻Ro3代替图6、7、10和11中与电感L1或L2并联电连接的电阻Ro1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种红外接收器，包括依次电连接的内置光敏二极管(LED-r)的输入单元、前置放大器、可变增益放大器、限幅器、第二带通滤波器、解调器和输出单元，还包括电连接在所述可变增益放大器与所述解调器输出端之间的自动增益控制器以及与所述第二带通滤波器控制端电连接的对应频率调整控制单元，其特征在于，所述输入单元还内置第一带通滤波器；第一带通滤波器包括所述光敏二极管(LED-r)内部等效结电容(CPD)及与所述光敏二极管串联电连接的固定电感(L2)；所述第一带通滤波器对应频率调整控制单元控制电连接用于通过改变自身输出电压调整所述等效结电容大小的带隙基准及可变电压源，所述带隙基准及可变电压源依次串联电连接所述固定电感和光敏二极管；所述固定电感两端分别对应电连接所述前置放大器的二输入端；所述第一带通滤波器对应频率调整控制单元这样工作：所述第一带通滤波器对应频率调整控制单元通过调整所述带隙基准及可变电压源的输出电压，去调整所述光敏二极管的反偏电压，使所述光敏二极管的结电容随反偏电压的变化而变化，从而达到调整第一带通滤波器的中心频率的目的。

2.根据权利要求1所述红外接收器，其特征在于，所述频率调整控制单元是同一个。

3.根据权利要求1所述红外接收器，其特征在于，所述对应频率调整控制单元包括第一频率调整控制单元和第二频率调整控制单元，分别对应第一带通滤波器和第二带通滤波器。

4.根据权利要求1所述红外接收器，其特征在于，第一带通滤波器还包括与所述电感并联电连接的电阻(Ro1)。

5.根据权利要求1所述红外接收器，其特征在于，第一带通滤波器还包括串接在所述光敏二极管(LED-r)与所述电感之间的电阻(Ro2)或与所述光敏二极管(LED-r)并联电连接的电阻(Ro3)。