CN112217571A - Cmos单管红外收发器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种新型的CMOS红外收发器。该CMOS红外收发器包括IR发射器电路、IR接收器电路和被配置为发射或接收IR信号的IR二极管。在CMOS红外收发器中使用的CMOS元件，如PMOS电流镜、PMOS开关、NMOS开关、NMOS电流镜和接收器使能PMOSFET开关。CMOS红外收发器可具有增加的集成度，占用更少的空间和更低的成本的优点。

Description

CMOS单管红外收发器
技术领域
本申请涉及一种红外收发器，特别涉及一种单管红外收发器。
背景技术
红外(IR)收发器被广泛用于IR通信，例如家用电子设备(如电视机、空调和VCD设备等)的遥控器。传统上，IR收发器占用空间大且成本高。因此，迫切需要一种占用空间更少且成本更低的新型IR收发器。
发明内容
根据一个实施例，CMOS单管红外收发器可以包括IR发射器电路、IR二极管和IR接收器电路。稍后将在此处添加独立声明。
本申请提供一种CMOS红外收发器(100)包括：
红外发射器电路(100A)，所述红外发射器电路包括：
PMOS电流镜，所述PMOS电流镜具有第一PMOSFET和第二PMOSFET，
NMOS电流镜，所述NMOS电流镜具有第一NMOSFET和第二NMOSFET，
PMOS开关，以及
与所述PMOS开关串联耦合的NMOS开关，
其中所述PMOS电流镜和所述NMOS电流镜串联耦合在电源和所述PMOS开关之间，其中所述NMOS电流镜串联耦合在所述PMOS开关和地端之间，并且所述NMOS开关与所述第一NMOSFET并联耦合，并且其中所述PMOS开关和所述NMOS开关被配置为从微控制器单元接收脉冲宽度调制信号；
红外接收器电路(100B)；以及
红外二极管，所述红外二极管耦合到所述红外发射器电路(100A)和所述红外接收器电路(100B)，被配置为发射输出红外信号或接收输入红外信号。
在一个优选例中，所述PMOS开关的栅极和所述NMOS开关的栅极耦合在一起并配置为从所述微控制器单元接收所述脉冲宽度调制信号。
在一个优选例中，所述红外二极管串联耦合在所述电源和所述NMOS电流镜的第二NMOSFET之间。
在一个优选例中，所述红外二极管的阳极耦合到所述电源，并且所述红外二极管的阴极耦合到所述第二NMOSFET的漏极。
在一个优选例中，所述第一PMOSFET的漏极、所述第一PMOSFET的栅极和所述第二PMOSFET的栅极耦合在一起并被配置为从所述微控制器单元接收参考电流。
在一个优选例中，所述PMOS开关的源极耦合到所述第二PMOSFET的漏极。
在一个优选例中，所述PMOS开关的漏极、所述NMOS开关的漏极和所述第一NMOSFET的漏极同时耦合到所述第一NMOSFET的栅极和所述第二NMOSFET的栅极。
在一个优选例中，所述NMOS开关的源极、所述第一NMOSFET的源极和所述第二NMOSFET的源极同时耦合到所述地端。
在一个优选例中，所述红外接收器电路(100B)包括串联起来的接收器使能的PMOSFET开关(40)、电流检测器(50)、比例放大器(60)和比较器(70)。
在一个优选例中，在所述接收器使能的PMOSFET开关(40)的栅极接收处于高电平的接收器使能信号时，所述红外接收器电路(100B)被关闭并且所述红外发射器电路(100A)准备开始工作。
在一个优选例中，在所述接收器使能的PMOSFET开关(40)的栅极接收处于低电平的接收器使能信号，并且所述红外发射器接收来自微控制器单元的脉冲宽度调制信号处于在低电平时，所述红外发射器电路(100A)将被关闭，并且所述红外接收器电路(100B)准备开始工作。
在一个优选例中，所述电流检测器(50)可以包括并联耦合的电流检测电阻器和第一放大器。
在一个优选例中，所述比例放大器(60)包括串联耦合的第一电阻器和第二电阻器，以及与所述第二电阻器并联耦合的第二放大器。
在一个优选例中，所述比较器(70)被配置为从所述比例放大器(60)接收输出电压并将整形后的电压信号输出到所述微控制器单元。
本申请公开了一种发射红外信号的方法(200)，包括：
使用CMOS单管红外收发器(100)接收接收器使能信号，所述CMOS单管红外收发器包括：
红外发射器电路(100A)，所述红外发射器电路包括：具有第一PMOSFET和第二PMOSFET的PMOS电流镜(20)，具有第一NMOSFET和第二NMOSFET的NMOS电流镜(30)，PMOS开关和NMOS开关，其中所述PMOS电流镜串联耦合在电源和所述PMOS开关之间，其中所述NMOS电流镜串联耦合在所述PMOS开关和地端之间，其中所述NMOS开关与所述第一NMOSFET并联耦合，并且其中所述PMOS开关和所述NMOS开关被配置为从微控制器单元接收脉冲宽度调制信号；
红外接收器电路(100B)，包括接收器使能的PMOSFET开关(40)；以及
红外二极管，耦合到所述红外发射器电路(100A)和所述红外接收器电路(100B)，并配置成发射或接收红外信号；
关闭所述红外接收器电路(100B)；
使用所述红外发射器电路(100A)接收所述脉冲宽度调制信号；以及
通过所述红外二极管发射调制的红外信号。
在一个优选例中，在所述红外接收器电路(100B)的接收器使能的PMOSFET开关(40)的栅极接收处于高电平的接收器使能信号，所述红外接收器电路(100B)关闭。
本申请还公开了一种接收红外信号的方法(300)包括：
使用CMOS单管红外收发器(100)接收接收器使能信号，所述CMOS单管红外收发器包括：
红外发射器电路(100A)，被配置为驱动红外信号的发射；
红外接收器电路(100B)，包括串联耦合的接收器使能的PMOSFET开关(40)、电流检测器(50)、比例放大器(60)和比较器(70)；以及
红外二极管，耦合到所述红外发射器电路(100A)和所述红外接收器电路(100B)，并配置成发射或接收红外信号；
关闭红外发射器电路(100A)；
通过所述红外二极管接收调制的红外信号以产生电流信号；
通过所述电流检测器(50)将所述电流信号转换成电压信号；
通过所述比例放大器(60)放大所述电压信号；以及
将所述电压信号输出到微控制器单元。
在一个优选例中，在所述接收器使能的PMOSFET开关(40)的栅极接收处于低电平的接收器使能信号时，所述红外发射器电路(100A)关闭。
在一个优选例中，在通过所述比例放大器(60)放大所述电压信号之后，还包括：通过所述比较器(70)对所述电压信号进行整形。
附图说明
参考以下附图描述本申请的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部分。
图1是示出根据本申请的实施例的CMOS单管IR收发器的框图。
图2是示出根据本申请的实施例的使用CMOS单管IR收发器发射调制的IR信号的方法的流程图。
图3是示出根据本申请的实施例的使用CMOS单管IR收发器接收调制的IR信号的方法的流程图。
具体实施方式
现在将描述本申请的各个方面和示例。以下描述提供了用于彻底理解和实现这些示例的描述的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有许多这些细节的情况下实践本申请。
另外，可能未详细示出或描述一些众所周知的结构或功能，以便简明扼要并避免不必要地模糊相关描述。
即使在下面给出的描述中使用的术语与本申请的某些特定示例的详细描述一起使用，应以其最广泛的合理方式解释。以下甚至可以强调某些术语，然而，任何旨在以任何受限制的方式解释的术语将在本具体描述部分中明确且具体地定义。
在不失一般性的情况下，通过采用CMOS单管IR收发器，使用CMOS单管IR收发器发射调制的IR信号的方法，以及使用CMOS单管IR收发器接收调制的IR信号的方法，将参考说明性实施例作为示例。本领域普通技术人员理解，这仅仅是为了清楚和充分地描述本申请，而不是限制由所附权利要求限定的本申请的范围。
通常，一个IR收发器可以使用两个IR二极管，其中一个IR二极管用于发射IR信号，另一个IR二极管用于接收IR信号。一个IR收发器也可以仅使用单个IR管，其用于发射IR信号或接收IR信号。然而，仅使用单个IR管的IR收发器通常可能占据印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)中的大空间，可能难以与微控制器单元(Micro Controller Unit，MCU)集成，因此可能导致高成本。
图1是示出根据本申请的实施例的CMOS单管IR收发器的框图。CMOS单管IR收发器100可以包括IR发射器电路(TX_block)100A，IR接收器电路(RX_block)100B，以及耦合到IR发射器电路100A和IR接收器电路100B的IR二极管D1。IR二极管D1可以设置在IR发射器电路100A和IR接收器电路100B的外部，并且可以被配置为在控制下发射或接收输入IR信号。CMOS单管IR收发器100的结构和组件将在下面更详细地说明。
在一个实施例中，IR发射器电路100A可以包括具有第一PMOSFET M1和第二PMOSFET M2的PMOS电流镜20、具有第一NMOSFET M5和第二NMOSFET M6的NMOS电流镜30、一个PMOS开关M3和一个NMOS开关M4。
PMOS电流镜20串联耦合在电源Vcc(例如，3V)和PMOS开关M3之间。NMOS电流镜30串联耦合在PMOS开关M3和地端(gnd)之间。NMOS开关M4串联耦合在PMOS开关M3和地端之间。NMOS开关M4与第一NMOSFET M5并联耦合。
第一PMOSFET M1的源极和第二PMOSFET M2的源极同时耦合到电源Vcc。第一PMOSFET M1的栅极、第二PMOSFET M2的栅极和第一PMOSFET M1的漏极耦合在一起并被配置为接收参考电流Iref，参考电流Iref由微控制器单元(MCU)(图1中未示出)提供。
PMOS开关M3的源极耦合到第二PMOSFET M2的漏极。PMOS开关M3的漏极、NMOS开关M4的漏极和第一NMOSFET M5的漏极同时耦合到第一NMOSFET M5的栅极和第二NMOSFET M6的栅极。NMOS开关M4的源极、第一NMOSFET M5的源极和第二NMOSFET M6的源极一起耦合到地端。
PMOS开关M3的栅极和NMOS开关M4的栅极耦合在一起并被配置为接收38KHz调制的脉冲宽度调制(PWM)信号，该信号由该MCU(图1中未示出)提供，并被配置为驱动IR二极管D1以发射IR信号。
IR二极管D1可以串联耦合在电源Vcc和NMOS电流镜30的第二NMOSFET M6之间。IR二极管D1的阳极(+)可以耦合到电源Vcc，并且IR二极管D1的阴极(-)可以耦合到NMOS电流镜30的第二NMOSFET M6的漏极。当CMOS单管IR收发器100工作在发射模式时，IR二极管D1可以发射IR信号。
在一个实施例中，IR接收器电路100B可以包括接收器使能的PMOSFET开关(MPsw)40、电流检测器50、比例放大器60和比较器70，且他们依次串联耦合。接收器使能PMOSFET开关40的源极可以耦合到IR二极管D1的阴极(-)。
当CMOS单管IR收发器100工作在接收模式时，IR二极管D1可以接收IR信号。接收器使能PMOSFET开关40可用于起到控制IR发射器电路100A或IR接收器电路100B是否准备好如下面使用的示例所解释的那样工作的作用。
作为一个示例，当在接收器使能PMOSFET开关40的栅极接收到处于高电平的接收器使能信号(TRXSW)时，IR接收器电路100B将被关闭(或切断)并且IR发射器电路100A将设置为准备开始工作，此时IR二极管D1可以发射IR信号。
作为另一个示例，当在接收器使能PMOSFET开关40的栅极接收到处于低电平的接收器使能信号(TRXSW)，并且IR发射器电路100A从MCU接收到的PWM信号为低电平时，IR发射器电路100A将被关闭(或切断)，并且IR接收器电路100B将被设置为准备开始工作。因此，IR二极管D1将接收IR信号，并且将产生微小的反向电流(μA级)并流过接收器使能PMOSFET开关40进入IR接收器电路100B。
在一个实施例中，电流检测器50可以包括并联耦合的电流检测电阻器(Rsense)和第一放大器A1。电流检测器50可以检测微小的反向电流，并且可以将该微小的反向电流转换为电压信号。
在一个实施例中，比例放大器60可以包括串联耦合的第一电阻器R1和第二电阻器R2，以及与第二电阻器R2并联耦合的第二放大器A2。比例放大器60可以放大从电流检测器50接收到的电压信号。
在一个实施例中，比较器70可以对来自比例放大器60的放大后的电压信号进行整形，并且可以将整形后的电压信号输出到MCU(图1中未示出)。MCU可以解调该整形后的电压信号以获得解调信号。
如图1的IR接收器电路100B中所示的诸如V1、V2和V3的电压是例如2.4V(3-0.6V)的偏置电压。
在一个实施例中，由IR发射器电路100A接收的PWM信号和由IR接收器电路100B接收的接收器使能信号(TRXSW)可以控制CMOS单管IR收发器100在什么模式(IR发射模式或IR接收模式)下准备开始工作，下面将使用示例进行说明。
A).当IR接收器电路100B接收的接收器使能信号(TRXSW)为高电平时，采用发射模式。
由MCU产生并被IR发射器电路100A接收的PWM信号用于控制PMOS开关M3和NMOS开关M4。当在PMOS开关M3的栅极和NMOS开关M4的栅极处接收到的PWM信号为高电平时，PMOS开关M3将被关闭并且NMOS开关M4将被接通。没有电流流过第一NMOSFET M5和第二个NMOSFETM6，没有电流流过IR二极管D1，此时IR二极管D1不会发出IR信号。
否则，当在PMOS开关M3的栅极和NMOS开关M4的栅极处接收到的PWM信号为低电平时，PMOS开关M3将被接通并且NMOS开关M4将被关闭，电流将流过第一NMOSFET M5和第二个NMOSFET M6，电流将流过IR二极管D1，此时IR二极管D1作为IR发射器将发出IR信号。
在一个实施例中，流过IR二极管D1的电流强度由第一PMOSFET M1的器件尺寸与第二PMOSFETM2的器件尺寸的比率以及第一NMOSFET M5的器件尺寸与第二个NMOSFETM6的器件尺寸的比率确定。
B).当IR接收器电路100B接收的接收器使能信号(TRXSW)为低电平时，采用接收模式。
设置IR接收器电路100B准备工作，IR接收器电路100B中的接收器使能信号(TRXSW)需要设置为低电平以接通IR接收器电路100B，以及在IR发射器电路100A中接收的PWM信号需要设置为高电平，以便关闭第二NMOSFETM6(从而关闭IR发射器电路100A)。
在接收模式下，当IR二极管D1(作为IR接收器)被强IR光照射时，IR二极管D1将产生反向电流信号，该信号与该IR光的强度成比例，并且将从IR二极管D1的阴极流到IR二极管D1的阳极。
由IR二极管D1产生的电流信号流过接收器使能PMOSFET开关40进入电流检测器50。电流检测器50将电流信号转换为电压信号，并将该电压信号输出到比例放大器60。比例放大器60放大该电压信号并将放大后的电压信号输出到比较器70。比较器70对来自比例放大器60的放大后的电压信号进行整形，并将整形后的电压信号输出到MCU(图1中未示出)。MCU可以解调接收的电压信号以获得解调信号。
图2是示出根据本申请的实施例的使用COMS单管IR收发器发射调制的IR信号的方法的流程图。在一个实施例中，在步骤202中，使用如图1所示的CMOS单管IR收发器100接收接收器使能信号(TRSXW)。在步骤204中，关闭CMOS单管IR收发器100的IR接收器电路100B，在步骤206中，使用IR发射器电路100A从MCU接收PWM信号，并在步骤208，由如上面所讨论的IR二极管D1发射调制的IR信号。
图3是示出根据本申请的实施例的使用COMS单管IR收发器接收调制的IR信号的方法的流程图。在一个实施例中，在步骤302中，使用如图1所示的CMOS单管IR收发器100接收接收器使能信号(TRSXW)，在步骤304中，关闭CMOS单管IR收发器100的IR发射器电路100A，在步骤306中，通过IR二极管D1接收调制的IR信号以产生电流信号，在步骤308中，由电流检测器50将该步骤电流信号转换为电压信号，在步骤310中，由比例放大器60放大该电压信号，并且在步骤312中，将放大的电压信号输出到如上面所讨论的MCU。
在一个实施例中，在IR接收器电路100B的接收器使能PMOSFET开关(MPsw)40的栅极上接收到具有低电平的接收器使能信号(TRSXW)时，IR发射器电路100A关闭(或关断)。
在一个实施例中，来自比例放大器60的放大后的电压信号由比较器70整形。然后，来自比较器70的整形后的电压信号输出到MCU。MCU可以解调所接收的电压信号以获得解调的信号。
由于其结构和使用CMOS组件，本申请的单管IR收发器可以使用标准CMOS工艺制造。单管红外收发器的集成度可以大大提高，可以大大减小PCB尺寸，从而降低成本。
各种实施例的特征和方面可以集成到其他实施例中，并且可以在没有示出或描述所有特征或方面的情况下实现本文档中示出的实施例。
本领域技术人员将理解，尽管出于说明的目的描述了系统和方法的特定示例和实施例，但是在不脱离本申请的精神和范围的情况下可以进行各种修改。此外，一个实施例的特征可以结合到其他实施例中，即使在本说明书中的单个实施例中，这些特征没有一起描述。因此，本申请由所附权利要求描述。

Claims (19)

1.一种CMOS红外收发器(100)包括：
红外发射器电路(100A)，所述红外发射器电路包括：
具有第一PMOSFET和第二PMOSFET的PMOS电流镜，
具有第一NMOSFET和第二NMOSFET的NMOS电流镜，，
PMOS开关，以及
与所述PMOS开关串联耦合的NMOS开关，
其中所述PMOS电流镜和所述NMOS电流镜串联耦合在电源和所述PMOS开关之间，其中所述NMOS电流镜串联耦合在所述PMOS开关和地端之间，并且所述NMOS开关与所述第一NMOSFET并联耦合，并且其中所述PMOS开关和所述NMOS开关都被配置为从微控制器单元接收脉冲宽度调制信号；
红外接收器电路(100B)；以及
红外二极管，所述红外二极管耦合到所述红外发射器电路(100A)和所述红外接收器电路(100B)，并且被配置为发射输出红外信号或接收输入红外信号。
2.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述PMOS开关的栅极和所述NMOS开关的栅极耦合在一起并被配置为从所述微控制器单元接收所述脉冲宽度调制信号。
3.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述红外二极管串联耦合在所述电源和所述NMOS电流镜的第二NMOSFET之间。
4.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述红外二极管的阳极耦合到所述电源，并且所述红外二极管的阴极耦合到所述第二NMOSFET的漏极。
5.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述第一PMOSFET的漏极、所述第一PMOSFET的栅极和所述第二PMOSFET的栅极耦合在一起并被配置为从所述微控制器单元接收参考电流。
6.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述PMOS开关的源极耦合到所述第二PMOSFET的漏极。
7.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述PMOS开关的漏极、所述NMOS开关的漏极和所述第一NMOSFET的漏极同时耦合到所述第一NMOSFET的栅极和所述第二NMOSFET的栅极。
8.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述NMOS开关的源极、所述第一NMOSFET的源极和所述第二NMOSFET的源极同时耦合到所述地端。
9.如权利要求1所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述红外接收器电路(100B)包括依次串联耦合的接收器使能PMOSFET开关(40)、电流检测器(50)、比例放大器(60)和比较器(70)。
10.如权利要求9所述的CMOS红外收发器，其特征在于，在所述接收器使能PMOSFET开关(40)的栅极接收到高电平的接收器使能信号时，所述红外接收器电路(100B)被关闭并且所述红外发射器电路(100A)准备开始工作。
11.如权利要求9所述的CMOS红外收发器，其特征在于，在所述接收器使能PMOSFET开关(40)的栅极接收到低电平的接收器使能信号，并且所述红外发射器接收来自微控制器单元的脉冲宽度调制信号为低电平时，所述红外发射器电路(100A)被关闭，并且所述红外接收器电路(100B)准备开始工作。
12.如权利要求9所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述电流检测器(50)包括并联耦合的电流检测电阻器和第一放大器。
13.如权利要求9所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述比例放大器(60)包括串联耦合的第一电阻器和第二电阻器，以及与所述第二电阻器并联耦合的第二放大器。
14.如权利要求9所述的CMOS红外收发器，其特征在于，所述比较器(70)被配置为从所述比例放大器(60)接收输出电压并将整形后的电压信号输出到所述微控制器单元。
15.一种发送红外信号的方法(200)，包括：
使用CMOS单管红外收发器(100)接收接收器使能信号，所述CMOS单管红外收发器包括：
红外发射器电路(100A)，所述红外发射器电路包括：具有第一PMOSFET和第二PMOSFET的PMOS电流镜(20)，具有第一NMOSFET和第二NMOSFET的NMOS电流镜(30)，PMOS开关和NMOS开关，其中所述PMOS电流镜串联耦合在电源和所述PMOS开关之间，其中所述NMOS电流镜串联耦合在所述PMOS开关和地端之间，其中所述NMOS开关与所述第一NMOSFET并联耦合，并且其中所述PMOS开关和所述NMOS开关被配置为从微控制器单元接收脉冲宽度调制信号；
红外接收器电路(100B)，包括接收器使能PMOSFET开关(40)；以及
红外二极管，耦合到所述红外发射器电路(100A)和所述红外接收器电路(100B)两者，并被配置为发射或接收红外信号；
关闭所述红外接收器电路(100B)；
使用所述红外发射器电路(100A)接收所述脉冲宽度调制信号；以及
通过所述红外二极管发射调制的红外信号。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述红外接收器电路(100B)的接收器使能PMOSFET开关(40)的栅极接收到高电平的接收器使能信号时，所述红外接收器电路(100B)关闭。
17.一种接收红外信号的方法(300)，包括：
使用CMOS单管红外收发器(100)接收接收器使能信号，所述CMOS单管红外收发器包括：
红外发射器电路(100A)，被配置为驱动红外信号的发射；
红外接收器电路(100B)，包括依次串联耦合的接收器使能PMOSFET开关(40)、电流检测器(50)、比例放大器(60)和比较器(70)；以及
红外二极管，耦合到所述红外发射器电路(100A)和所述红外接收器电路(100B)，并被配置为发射或接收红外信号；
关闭红外发射器电路(100A)；
通过所述红外二极管接收调制的红外信号以产生电流信号；
通过所述电流检测器(50)将所述电流信号转换成电压信号；
通过所述比例放大器(60)放大所述电压信号；以及
将放大后的电压信号输出到微控制器单元。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述接收器使能PMOSFET开关(40)的栅极接收到低电平的接收器使能信号时，所述红外发射器电路(100A)关闭。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述通过所述比例放大器(60)放大所述电压信号之后，还包括：
通过所述比较器(70)对所述电压信号进行整形。
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