CN109391324B

CN109391324B - 一种用于可见光通信发射机的led驱动专用集成电路

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Publication number: CN109391324B
Application number: CN201710651956.1A
Authority: CN
Inventors: 毛陆虹; 吴意诚; 谢生
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: CN109391324A

Abstract

本发明公开一种用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路，采用三级预加重电路，用于提高由于LED频率响应较低而造成的VLC系统过窄的调制带宽；采用源极跟随器驱动交流耦合的GaNFET电路，可驱动大功率LED，用于给LED提供合适的工作电流，使其处于工作区；整流电路采用GaNFET与超快恢复二极管并联的方式，用于提高数据传输速度以及LED驱动电路的效率。本发明使用多级模拟预加重技术提升LED较低的调制带宽，整体采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点，并且采用GaNFET所构成的驱动电路以及整流电路，有功率高，速度快，效率高等优点，使可见光通信系统向实用化迈出重要一步。

Description

一种用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路

技术领域

本发明属于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术领域，涉及一种采用CMOS工艺实现的LED驱动集成电路。

背景技术

近年来，随着电子科技的高速发展，智能设备的用户总数和普及率逐年大幅度增加，随之增长的是人们对高速宽带多媒体通信的需求。可见光通信(Visible LightCommunication，简称VLC)，作为一种无线通信领域新兴的技术，是在白光LED技术的基础上发展起来的。和传统的照明光源相比，白光LED是一种杰出的绿色照明光源，它的亮度高、尺寸小、功耗低、驱动容易、使用寿命长、绿色环保，特别是响应灵敏度很高，拥有良好的调制特性，因此可以用来进行数据通信。

室内可见光通信与目前常见的射频无线通信相比，具有速度快、耗能低、安全性高、保密性好以及置备成本较低等优点，以及作为一项新兴技术，将照明与通信领域结合在一起，所以VLC技术具备广阔的发展前景，引起了研究者们的广泛关注以及深入研究。可见光通信系统的研究在近两年兴起，但由于LED调制带宽低的原因而极大限制了系统的传输速率，并且严重制约着可见光通信的发展。为解决这一问题，预加重技术逐渐引起人们的注意。此外，设计用于可见光通信LED驱动的专用集成电路处于创新研发阶段，这方面鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路，通过新的系统拓扑结构，使用多级模拟预加重技术提升LED较低的调制带宽。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路，由三级预加重电路、LED驱动电路和整流电路组成，其中：

三级预加重电路，用于提高由于LED频率响应较低而造成的VLC系统过窄的调制带宽；第四级采用源级跟随器提高带负载能力，包括供电电源VDD、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9，其中供电电源VDD分别与电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7和MOS管M4的漏极相连；电容C1、电容C2、电容C3、电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R9与接地GND相连；MOS管M4的源极分别与电阻R9和LED驱动电路的电容C4相连；电阻R1和电阻R2分别与MOS管M1的栅极相连，MOS管M1的漏极分别与电阻R3、MOS管M2的栅极相连，电阻R4和电容C1组成并联RC结构与MOS管M1的源极相连；MOS管M2的漏极分别与电阻R5、MOS管M3的栅极相连，电阻R6和电容C2组成并联RC结构并与MOS管M2的源极相连；MOS管M3的漏极分别与电阻R7、MOS管M4的栅极相连，电阻R8和电容C3组成并联RC结构并与MOS管M3的源极相连。

在三级预加重电路中，以第一级为例，以此类推三级，R1与R2组成M1管的偏置电路，与其栅极相连，为MOS提供合适的静态工作点，R3作为负载与M1管的漏极相连，R4与C1的并联RC结构作为源极负反馈与M1的源极相连，起到预加重的作用，提高信号的高频分量，从而提高LED的调制带宽。供电电源VDD为高电频供电电源。电路信号自信号输入端Vin进入三级预加重电路中，信号输入端Vin与电阻R1、电阻R2和MOS管M1的栅极相连。

LED驱动电路，与三级预加重电路相连，采用源极跟随器驱动交流耦合的GaNFET电路，可驱动大功率LED，用于给LED提供合适的工作电流，使其处于工作区，包括氮化镓场效应晶体管M5、电阻10、电阻11、电阻12、电容C4和氮化镓场效应晶体管M5供电电源VDD2，其中电阻10与电阻11组成氮化镓场效应晶体管M5(GaNFET)的偏置电路，均与其栅极相连，电阻10与供电电源VDD2相连，电阻12与氮化镓场效应晶体管M5的源极相连，电阻11和电阻12并联且与接地GND相连，电容C4一侧与氮化镓场效应晶体管M5的栅极相连，另一侧与三级预加重电路的MOS管M4的源极相连。

整流电路，与LED驱动电路相连并起到整流的作用，进一步提高带宽，包括LED供电电源VLED、超快恢复二极管D1、氮化镓场效应晶体管M6、电感L1和白光LED，其中：LED供电电源VLED为白光LED供电；氮化镓场效应晶体管M6采用二极管连接方式，其栅极与源极相连，并且在氮化镓场效应晶体管M6的源漏之间并联超快恢复二极管D1；白光LED与电感L1串联，白光LED与氮化镓场效应晶体管M6的漏极相连，电感L1与氮化镓场效应晶体管M6的源极相连；LED驱动电路的氮化镓场效应晶体管M5的漏极与氮化镓场效应晶体管M6的源极相连。

在本法明的技术方案中，采用三级预加重电路，用于提高由于LED频率响应较低而造成的VLC系统过窄的调制带宽；第四级采用源级跟随器提高带负载能力；LED驱动电路，采用源极跟随器驱动交流耦合的GaNFET电路，可驱动大功率LED，用于给LED提供合适的工作电流，使其处于工作区；整流电路采用GaNFET与Ultrafast recovery diode(超快恢复二极管)并联的方式，用于提高数据传输速度以及LED驱动电路的效率。

与现有所报道的可见光通信系统相比，本发明具有如下优点：

1.使用较为成熟的CMOS工艺，相比起现行的通过分立器件所搭建的VLC系统相比，其集成度高，减小了系统的体积，降低了成本。

2.通过模拟预加重对LED较低的频率响应进行补偿，极大地提高了VLC系统的调制带宽以及传输速率。

3.通过GaNFET调制驱动电路代替常见的Si MOSFET调制驱动电路，使驱动电路有着更高的速度及效率，并且有更强的驱动能力，能够驱动大功率的LED实现传输距离的提升。

本发明整体采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点，并且采用GaNFET所构成的驱动电路以及整流电路，有功率高，速度快，效率高等优点，使可见光通信系统向实用化迈出重要一步。因此本发明提出的用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路结构和实施方法具有良好的应用前景。

附图说明

图1为白光LED可见光通信发射机的结构框图。

图2为本发明可见光通信系统发射机的LED驱动专用集成电路组成示意原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，白光LED可见光通信发射机的结构框图，其中集成芯片部分(integrated circuit)主要由预加重电路(pre-emphasis circuit)以及GaNFET的栅极偏置电路(GaN gate bias circuit)构成；分立的部分主要由大功率GaNFET驱动电路(GaNpower drive circuit)以及荧光粉型白光LED构成。输入的信号(data in)经由预加重电路的作用后，提高了其高频分量的响应，拓展了白光LED较低的调制带宽，之后通过大功率GaNFET调制驱动电路以及整流电路(rectifier)驱动白光LED(phosphoresce white LED)，使其发出带有调制信息的白光，从而达到可见光通信的目的。

如附图2所示，本发明提出的带有多级预加重电路的白光LED驱动调制电路。本发明的用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路，由三级预加重电路、LED驱动电路和整流电路组成，其中：

LED驱动电路，与三级预加重电路相连，采用源极跟随器驱动交流耦合的GaNFET电路，可驱动大功率LED，用于给LED提供合适的工作电流，使其处于工作区，包括氮化镓场效应晶体管M5(GaNFET)、电阻10、电阻11、电阻12、电容C4和氮化镓场效应晶体管M5供电电源VDD2，其中电阻10与电阻11组成氮化镓场效应晶体管M5(GaNFET)的偏置电路，均与其栅极相连，电阻10与供电电源VDD2相连，电阻12与氮化镓场效应晶体管M5的源极相连，电阻11和电阻12并联且与接地GND相连，电容C4一侧与氮化镓场效应晶体管M5的栅极相连，另一侧与三级预加重电路的MOS管M4(金属metal—氧化物oxide—半导体semiconductor场效应晶体管)的源极相连。

整流电路，与LED驱动电路相连并起到整流的作用，进一步提高带宽，包括LED供电电源VLED、超快恢复二极管D1(Ultrafast recovery diode)、氮化镓场效应晶体管M6(GaNFET)、电感L1和白光LED，其中：LED供电电源VLED为白光LED供电；氮化镓场效应晶体管M6采用二极管连接方式，其栅极与源极相连，并且在氮化镓场效应晶体管M6的源漏之间并联超快恢复二极管D1；白光LED与电感L1串联，白光LED与氮化镓场效应晶体管M6的漏极相连，电感L1与氮化镓场效应晶体管M6的源极相连；LED驱动电路的氮化镓场效应晶体管M5的漏极与氮化镓场效应晶体管M6的源极相连。

本电路包含三级预加重以及带有整流功能的白光LED驱动调制电路。利用预加重的电路的频率响应特性与白光LED的频率响应特性相结合，通过预加重电路对LED较小的调制带宽进行补偿，以达到更高的VLC系统的带宽以及传输速率。其中R1，R2以及R10，R11组成分压电路，用于为管子提供合适的直流偏置。由M1,M2,M3直接耦合组成三级的带有源极负反馈的共源级放大器，其反馈由RC并联结构构成，第一级共源级的传输函数为，

其中g_m为小信号跨导。

通过上述公式，可以计算出第一级预加重对所需LED频率响应补偿的频率点，之后的两级级计算方式与第一级相同。由于三级预加重电路的加入，可以对多个频率进行补偿，使得整个VLC系统的调制带宽得到提升。而M4管作为源极跟随器，起到缓冲级的作用。由于芯片所输出的功率有限，所以M5和M6均采用采用大功率的GaNFET，由于GaNFET拥有开关速度快以、开关损耗小以及驱动能力强的特点，用于将驱动LED工作在线性区内，并且将调制信号加在LED上使其发出，并且将GaNFET和Ultrafast recoverydiode所组成的整流电路使VLC系统拥有更高的数据传输速度以及更高的效率。其中VDD为芯片的供电电压为1.8V，VDD2为GaNFET提供偏置电压，其值为8V，VLED为白光LED提供偏置电压，使LED正常工作，其值为4V。由于芯片的供电电压无法给GaNFET以及白光LED，所以需要额外的电压对其进行供电。通过仿真得到各元件最佳的参数，使电路的频率响应能够补偿LED较低的调制带宽，最终提升VLC系统调制带宽。在实际测试中，当三级预加重、驱动电路以及整流电路选取如下参数：R4＝100Ω，C1＝100pF时，R6＝80Ω，C2＝80pF，R8＝50Ω，C3＝40pF,C4＝1μF，R10＝600Ω，R11＝400Ω，L1＝1nH时，LED的实测调制带宽能达到150MHz，相比于单独白光LED3MHz左右的调制带宽有了很大的提升。

根据本发明阐述内容，对电路中元件参数进行调整，均可实现调制带宽的提升。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路，其特征在于，由三级预加重电路、LED驱动电路和整流电路组成，其中：采用三级预加重电路，用于提高由于LED频率响应较低而造成的VLC系统过窄的调制带宽；LED驱动电路，与三级预加重电路相连，采用源极跟随器驱动交流耦合的氮化镓场效应晶体管电路，可驱动大功率LED，用于给LED提供合适的工作电流，使其处于工作区；整流电路，与LED驱动电路相连并起到整流的作用，采用氮化镓场效应晶体管与超快恢复二极管并联的方式，用于提高数据传输速度以及LED驱动电路的效率；

其中，三级预加重电路，包括供电电源VDD、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9，其中供电电源VDD分别与电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7和MOS管M4的漏极相连；电容C1、电容C2、电容C3、电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R9与接地GND相连；MOS管M4的源极分别与电阻R9和LED驱动电路的电容C4相连；电阻R1和电阻R2分别与MOS管M1的栅极相连，MOS管M1的漏极分别与电阻R3、MOS管M2的栅极相连，电阻R4和电容C1组成并联RC结构与MOS管M1的源极相连；MOS管M2的漏极分别与电阻R5、MOS管M3的栅极相连，电阻R6和电容C2组成并联RC结构并与MOS管M2的源极相连；MOS管M3的漏极分别与电阻R7、MOS管M4的栅极相连，电阻R8和电容C3组成并联RC结构并与MOS管M3的源极相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路，其特征在于，LED驱动电路，包括氮化镓场效应晶体管M5、电阻10、电阻11、电阻12、电容C4和氮化镓场效应晶体管M5供电电源VDD2，其中电阻10与电阻11组成氮化镓场效应晶体管M5的偏置电路，均与其栅极相连，电阻10与供电电源VDD2相连，电阻12与氮化镓场效应晶体管M5的源极相连，电阻11和电阻12并联且与接地GND相连，电容C4一侧与氮化镓场效应晶体管M5的栅极相连，另一侧与三级预加重电路的MOS管M4的源极相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于可见光通信发射机的LED驱动专用集成电路，其特征在于，整流电路，包括LED供电电源VLED、超快恢复二极管D1、氮化镓场效应晶体管M6、电感L1和白光LED，其中：LED供电电源VLED为白光LED供电；氮化镓场效应晶体管M6采用二极管连接方式，其栅极与源极相连，并且在氮化镓场效应晶体管M6的源漏之间并联超快恢复二极管D1；白光LED与电感L1串联，白光LED与氮化镓场效应晶体管M6的漏极相连，电感L1与氮化镓场效应晶体管M6的源极相连；LED驱动电路的氮化镓场效应晶体管M5的漏极与氮化镓场效应晶体管M6的源极相连。