CN107800479B - 一种可见光通信发射端专用集成电路 - Google Patents

Abstract

一种可见光通信发射端专用集成电路，包括与荧光型白光LED的输入端相连接的用于加速荧光型白光LED的变暗过程，从而提高可见光通信的数据传输速率的剩余载流子抽取电路，用于对所接收到的输入信号的幅频特性进行调整，对低频部分的增益进行抑制，同时提高高频部分的增益后再输出的预加重电路，输入端与预加重电路输出端相连，输出端与荧光型白光LED的输入端相连，用于将所接收到的信号调制到荧光型白光LED上的串联驱动电路，串联驱动电路的输出端还连接剩余载流子抽取电路的输入端，用于给剩余载流子抽取电路发送对荧光型白光LED进行作用的控制信号。本发明在发射端设计中采用预加重与剩余载流子抽取结合的技术，可显著提高可见光通信系统的带宽。

Description

一种可见光通信发射端专用集成电路

技术领域

本发明涉及一种可见光通信电路。特别是涉及一种采用CMOS工艺实现的可见光通信发射端专用集成电路。

背景技术

随着电子科技的不断发展，智能设备的用户总数和普及率逐年增加，人们对高速宽带多媒体通信的需求也大幅增加。面对不断增加的通信需求，传统射频通信出现频谱资源紧张的态势，加之电磁辐射干扰等因素的局限，以及消费者日益重视辐射对身体健康的影响问题，人们迫切需要一种宽频谱、绿色节能的通信方式，因此，可见光通信技术成为了当前研究的热点。

可见光通信技术相比于其他无线通信技术，具有不占用无线电频谱资源、保密性好、无电磁辐射等优点，而且兼顾照明和通信两种功能。可见光通信技术是在白光LED技术的基础上发展起来的。与传统的照明光源相比，白光LED是一种杰出的绿色照明光源，它具有亮度高、尺寸小、功耗低、易驱动、使用寿命长、绿色环保等优点，特别是响应灵敏度很高，且拥有良好的调制特性，因此可以用来进行数据通信。随着白光LED光源的市场份额逐年提高，基于白光LED的可见光通信技术具备广阔的发展前景。

虽然可见光通信技术具备广阔的发展前景，而且已经引起研究者们的普遍关注，然而可见光通信系统带宽较窄的缺点严重限制了信号的传输速率，这成为制约可见光通信技术发展的瓶颈。本专利的目的在于设计一种高速的可见光通信发射端专用集成电路，从而提高可见光通信系统的带宽和整个可见光通信系统的信号传输速率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高可见光通信系统的带宽和整个可见光通信系统信号传输速率的可见光通信发射端专用集成电路。

本发明所采用的技术方案是：一种可见光通信发射端专用集成电路，包括用于发光的荧光型白光LED，与所述的荧光型白光LED输入端相连接的用于加速荧光型白光LED的变暗过程，从而提高可见光通信的数据传输速率的剩余载流子抽取电路，还设置有用于对所接收到的输入信号的幅频特性进行调整，对低频部分的增益进行抑制，同时提高高频部分的增益后再输出的预加重电路，以及输入端与所述预加重电路输出端相连，输出端与所述的荧光型白光LED的输入端相连，用于将所接收到的信号调制到荧光型白光LED上的串联驱动电路，所述串联驱动电路的输出端还连接所述剩余载流子抽取电路的输入端，用于给所述剩余载流子抽取电路发送对所述荧光型白光LED进行作用的控制信号。

所述的预加重电路包括有依次串联连接的第一级共源极放大器、第二级共源极放大器和第三级源极跟随器，所述第一级共源极放大器的输入端通过第一电容接收外部信号，所述第三级源极跟随器的输出端通过第六电容连接所述串联驱动电路的输入端。

所述的第一级共源极放大器包括有：第一晶体管，所述第一晶体管的栅极分别连接第一电阻的一端、第二电阻的一端以及所述的第一电容的输出端，所述第一电阻的另一端连接供电电源，所述第二电阻的另一端接地，所述第一晶体管的源极分别连接第四电阻的一端和第五电阻的一端，所述第四电阻的另一端接地，第五电阻的另一端通过第二电容接地，所述第一晶体管的漏极构成第一级共源极放大器的输出端连接第二级共源极放大器的输入端，所述第一晶体管的漏极还通过第三电阻连接供电电源。

所述的第二级共源极放大器包括有：第二晶体管，所述第二晶体管的栅极分别连接第六电阻的一端、第七电阻的一端以及第三电容的一端，所述第六电阻的另一端连接供电电源，所述第七电阻的另一端接地，所述第三电容的另一端连接第一级共源极放大器的输出端，所述第二晶体管的源极分别连接第九电阻的一端和第十电阻的一端，所述第九电阻的另一端接地，第十电阻的另一端通过第四电容接地，所述第二晶体管的漏极构成第二级共源极放大器的输出端连接第三级源极跟随器的输入端，所述第二晶体管的漏极还通过第八电阻连接供电电源。

所述的第三级源极跟随器包括有：第三晶体管，所述第三晶体管的栅极分别连接第十一电阻的一端、第十二电阻的一端以及第五电容的一端，所述第十一电阻的另一端连接供电电源，所述第十二电阻的另一端接地，所述第五电容的另一端连接第二级共源极放大器的输出端，所述第三晶体管的源极构成预加重电路的输出端通过第六电容连接串联驱动电路的输入端，所述第三晶体管的源极还通过第十三电阻接地，所述第三晶体管的漏极连接供电电源。

所述的串联驱动电路包括有第五晶体管，所述第五晶体管的栅极分别连接第十四电阻的一端、第十五电阻的一端以及通过第六电容连接第三级源极跟随器的输出端，所述第十四电阻的另一端连接供电电源，所述第十五电阻的另一端接地，所述第五晶体管的栅极还连接构成剩余载流子抽取电路的第四晶体管的栅极，所述第五晶体管的源极接地，漏极分别连接构成剩余载流子抽取电路的第四晶体管的漏极以及构成荧光型白光LED的发光二极管的负极，构成剩余载流子抽取电路的第四晶体管的源极和构成荧光型白光LED的发光二极管的正极分别连接供电电源。

本发明的一种可见光通信发射端专用集成电路，在发射端设计中采用预加重与剩余载流子抽取结合的技术，可显著提高可见光通信系统的带宽。与现有主流技术相比，本发明具有如下突出的优点：

1、将预加重电路和剩余载流子抽取电路结合起来，可以更好的提高可见光通信系统的带宽和数据传输速率。

2、本发明中提出的方案可以基于标准CMOS工艺实现，单片集成省去了后道的组装工序和组装成本，最大限度地消除了封装、引线和连线等寄生参量影响，可以实现极高的速率，稳定性也得到提高。并且减小了环境电磁干扰和噪声，增加可靠性，减小了芯片面积，体积小、成品率高、可靠性好，可以实现更为丰富的功能。

综上所述，本发明的一种可见光通信发射端专用集成电路具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种可见光通信发射端专用集成电路的构成框图；

图2是本发明一种可见光通信发射端专用集成电路的电路原理图。

图中

1：预加重电路 11：第一级共源极放大器

12：第二级共源极放大器 13：第三级源极跟随器

2：串联驱动电路 3：剩余载流子抽取电路

4：荧光型白光LED

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种可见光通信发射端专用集成电路做出详细说明。

本发明的一种可见光通信发射端专用集成电路，功能是将输入端的信号调制到白光LED发出的光上，通过光的明暗变化，将信号传递出去。

如图1所示，本发明的一种可见光通信发射端专用集成电路，包括用于发光的荧光型白光LED 4，与所述的荧光型白光LED 4输入端相连接的用于加速荧光型白光LED的变暗过程，从而提高可见光通信的数据传输速率的剩余载流子抽取电路3，还设置有用于对所接收到的输入信号的幅频特性进行调整，对低频部分的增益进行抑制，同时提高高频部分的增益后再输出的预加重电路1，以及输入端与所述预加重电路1输出端相连，输出端与所述的荧光型白光LED 4的输入端相连，用于将所接收到的信号调制到荧光型白光LED 4上的串联驱动电路2，所述串联驱动电路2的输出端还连接所述剩余载流子抽取电路3的输入端，用于给所述剩余载流子抽取电路3发送对所述荧光型白光LED 4进行作用的控制信号。

发射端的输入信号通过预加重电路，对输入信号的幅频特性进行调整，对低频部分的增益适当的抑制，同时提高高频部分的增益。预先补偿自由空间信号的损耗，进而达到提高通信带宽的目的。预加重电路的输出信号输入到串联驱动电路，通过串联驱动电路，将加重之后的输入信号调制到荧光型白光LED上。剩余载流子抽取电路与荧光型白光LED是并联的关系，功能是加速荧光型白光LED的变暗过程，从而提高可见光通信的数据传输速率。

如图2所示，所述的预加重电路1目的是预先补偿自由空间信号的损耗，进而达到提高通信带宽。所述的预加重电路1包括有依次串联连接的第一级共源极放大器11、第二级共源极放大器12和第三级源极跟随器13，所述第一级共源极放大器11的输入端通过第一电容C1接收外部信号，所述第三级源极跟随器13的输出端通过第六电容C6连接所述串联驱动电路2的输入端。通过设计和优化电阻和电容的值，可以调节预加重电路的幅频响应，针对荧光型白光LED和自由空间信道的幅频响应，进行相应的加重和补偿，达到提升通信带宽的目的。

所述的第一级共源极放大器11包括有：第一晶体管M1，所述第一晶体管M1的栅极分别连接第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端以及所述的第一电容C1的输出端，所述第一电阻R1的另一端连接供电电源，作用是为第一晶体管M1提供合适的栅极偏置电压，控制晶体管M1的工作区。所述第二电阻R2的另一端接地，所述第一晶体管M1的源极分别连接第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端，所述第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的另一端通过第二电容接地，所述第一晶体管M1的漏极构成第一级共源极放大器11的输出端连接第二级共源极放大器12的输入端，所述第一晶体管M1的漏极还通过第三电阻R3连接供电电源。

所述的第二级共源极放大器12包括有：第二晶体管M2，所述第二晶体管M2的栅极分别连接第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端以及第三电容C3的一端，所述第六电阻R6的另一端连接供电电源，作用是为第二晶体管M2提供合适的栅极偏置电压。所述第七电阻R7的另一端接地，所述第三电容C3的另一端连接第一级共源极放大器11的输出端，所述第二晶体管M2的源极分别连接第九电阻R9的一端和第十电阻R10的一端，所述第九电阻R9的另一端接地，第十电阻R10的另一端通过第四电容接地，所述第二晶体管M2的漏极构成第二级共源极放大器12的输出端连接第三级源极跟随器13的输入端，所述第二晶体管M2的漏极还通过第八电阻R8连接供电电源。

所述的第三级源极跟随器13包括有：第三晶体管M3，所述第三晶体管M3的栅极分别连接第十一电阻R11的一端、第十二电阻R12的一端以及第五电容C5的一端，所述第十一电阻R11的另一端连接供电电源，作用是为第三晶体管M3提供合适的栅极偏置电压。所述第十二电阻R12的另一端接地，所述第五电容C5的另一端连接第二级共源极放大器12的输出端，所述第三晶体管M3的源极构成预加重电路1的输出端通过第六电容C6连接串联驱动电路2的输入端，所述第三晶体管M3的源极还通过第十三电阻R13接地，所述第三晶体管M3的漏极连接供电电源。

所述的串联驱动电路2，是将预加重电路的输出信号输入到串联驱动电路，通过串联驱动电路，将加重之后的输入信号调制到荧光型白光LED上。需要设计一个可以耐受大功率的晶体管，并将晶体管与荧光型白光LED串联，通过控制大功率晶体管的开和关，进而控制荧光型白光LED的亮和灭。剩余载流子抽取电路与荧光型白光LED是并联的关系，功能是加速荧光型白光LED的变暗过程，从而提高可见光通信的数据传输速率。

所述的串联驱动电路2包括有第五晶体管M5，所述第五晶体管M5的栅极分别连接第十四电阻R14的一端、第十五电阻R15的一端以及通过第六电容C6连接第三级源极跟随器13的输出端，所述第十四电阻R14的另一端连接供电电源，所述第十五电阻R15的另一端接地，所述第五晶体管M5的栅极还连接构成剩余载流子抽取电路3的第四晶体管M4的栅极，所述第十四电阻R14和第十五电阻R15作用是为第四晶体管M4和第五晶体管M5提供合适的栅极偏置电压。所述第五晶体管M5的源极接地，漏极分别连接构成剩余载流子抽取电路3的第四晶体管M4的漏极以及构成荧光型白光LED 4的发光二极管LED的负极，构成剩余载流子抽取电路3的第四晶体管M4的源极和构成荧光型白光LED 4的发光二极管LED的正极分别连接供电电源。

所述第五晶体管M5设计成一个宽长比大，可以耐受大电流的晶体管。通过第六电容C6将预加重电路的输出信号耦合到第五晶体管M5的栅极，控制第五晶体管M5的打开和关断，进而控制荧光型白光LED的亮和灭，实现调制的功能。

本发明的一种可见光通信发射端专用集成电路中，第一电容C1、第三电容C3、第五电容C5和第六电容C6的作用是隔直流通交流。所述的第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第五晶体管M5为NMOS，第四晶体管M4为PMOS。第二晶体管M2和第五晶体管M5的栅极连接在一起，当栅极是高电平时，NMOS的第五晶体管M5开启，第四晶体管M4关断，荧光型白光LED开启并发光。当栅极是低电平时，NMOS的第五晶体管M5关断，PMOS的第四晶体管M4开启，荧光型白光LED关断并变暗直至完全熄灭。

在荧光型白光LED由亮到灭的过程中，由于存在剩余载流子，且剩余载流子的释放通路呈现高阻状态时，变暗直至完全熄灭的过程非常缓慢，这导致基于荧光型白光LED的可见光通信系统的带宽很窄，数据传输速率很低。本发明中，在荧光型白光LED的两端并联一个剩余载流子抽取电路，为LED中的剩余载流子提供一个低阻的释放通路，加速了LED的变暗过程，实现有效提高可见光通信系统带宽的作用。

将预加重电路和剩余载流子抽取电路结合起来，可以更好的提高基于荧光型白光LED的可见光通信系统的带宽，提高数据传输速率。

Claims (5)

1.一种可见光通信发射端专用集成电路，包括用于发光的荧光型白光LED（4），与所述的荧光型白光LED（4）输入端相连接的用于加速荧光型白光LED的变暗过程，从而提高可见光通信的数据传输速率的剩余载流子抽取电路（3），所述的剩余载流子抽取电路（3）是由第四晶体管（M4）构成，其特征在于，还设置有用于对所接收到的输入信号的幅频特性进行调整，对低频部分的增益进行抑制，同时提高高频部分的增益后再输出的预加重电路（1），以及输入端与所述预加重电路（1）输出端相连，输出端与所述的荧光型白光LED（4）的输入端相连，用于将所接收到的信号调制到荧光型白光LED（4）上的串联驱动电路（2），所述串联驱动电路（2）的输出端还连接所述剩余载流子抽取电路（3）的输入端，用于给所述剩余载流子抽取电路（3）发送对所述荧光型白光LED（4）进行作用的控制信号，所述的预加重电路（1）包括有依次串联连接的第一级共源极放大器（11）、第二级共源极放大器（12）和第三级源极跟随器（13），所述第一级共源极放大器（11）的输入端通过第一电容（C1）接收外部信号，所述第三级源极跟随器（13）的输出端通过第六电容（C6）连接所述串联驱动电路（2）的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种可见光通信发射端专用集成电路，其特征在于，所述的第一级共源极放大器（11）包括有：第一晶体管（M1），所述第一晶体管（M1）的栅极分别连接第一电阻（R1）的一端、第二电阻（R2）的一端以及所述的第一电容（C1）的输出端，所述第一电阻（R1）的另一端连接供电电源，所述第二电阻（R2）的另一端接地，所述第一晶体管（M1）的源极分别连接第四电阻（R4）的一端和第五电阻（R5）的一端，所述第四电阻（R4）的另一端接地，第五电阻（R5）的另一端通过第二电容接地，所述第一晶体管（M1）的漏极构成第一级共源极放大器（11）的输出端连接第二级共源极放大器（12）的输入端，所述第一晶体管（M1）的漏极还通过第三电阻（R3）连接供电电源。

3.根据权利要求1所述的一种可见光通信发射端专用集成电路，其特征在于，所述的第二级共源极放大器（12）包括有：第二晶体管（M2），所述第二晶体管（M2）的栅极分别连接第六电阻（R6）的一端、第七电阻（R7）的一端以及第三电容（C3）的一端，所述第六电阻（R6）的另一端连接供电电源，所述第七电阻（R7）的另一端接地，所述第三电容（C3）的另一端连接第一级共源极放大器（11）的输出端，所述第二晶体管（M2）的源极分别连接第九电阻（R9）的一端和第十电阻（R10）的一端，所述第九电阻（R9）的另一端接地，第十电阻（R10）的另一端通过第四电容接地，所述第二晶体管（M2）的漏极构成第二级共源极放大器（12）的输出端连接第三级源极跟随器（13）的输入端，所述第二晶体管（M2）的漏极还通过第八电阻（R8）连接供电电源。

4.根据权利要求1所述的一种可见光通信发射端专用集成电路，其特征在于，所述的第三级源极跟随器（13）包括有：第三晶体管（M3），所述第三晶体管（M3）的栅极分别连接第十一电阻（R11）的一端、第十二电阻（R12）的一端以及第五电容（C5）的一端，所述第十一电阻（R11）的另一端连接供电电源，所述第十二电阻（R12）的另一端接地，所述第五电容（C5）的另一端连接第二级共源极放大器（12）的输出端，所述第三晶体管（M3）的源极构成预加重电路（1）的输出端通过第六电容（C6）连接串联驱动电路（2）的输入端，所述第三晶体管（M3）的源极还通过第十三电阻（R13）接地，所述第三晶体管（M3）的漏极连接供电电源。

5.根据权利要求1所述的一种可见光通信发射端专用集成电路，其特征在于，所述的串联驱动电路（2）包括有第五晶体管（M5），所述第五晶体管（M5）的栅极分别连接第十四电阻（R14）的一端、第十五电阻（R15）的一端以及通过第六电容（C6）连接第三级源极跟随器（13）的输出端，所述第十四电阻（R14）的另一端连接供电电源，所述第十五电阻（R15）的另一端接地，所述第五晶体管（M5）的栅极还连接构成剩余载流子抽取电路（3）的第四晶体管（M4）的栅极，所述第五晶体管（M5）的源极接地，漏极分别连接构成剩余载流子抽取电路（3）的第四晶体管（M4）的漏极以及构成荧光型白光LED（4）的发光二极管（LED）的负极，构成剩余载流子抽取电路（3）的第四晶体管（M4）的源极和构成荧光型白光LED（4）的发光二极管（LED）的正极分别连接供电电源。

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