高速强驱动自降噪光电耦合芯片设计技术研究

【摘要】：随着光电产业的不断发展以及光电耦合技术的广泛应用,光电耦合器的研究、设计及开发显得越发重要。由于光电耦合器越来越多的出现在高速、强驱动的高低压工作环境下,所以响应速度、驱动能力以及噪声抑制就成为制约光电耦合器发展的突出问题。传统单一的设计方法很难将这三项指标集成考虑,这就造成了融合速度、驱动能力并能稳定工作的光电耦合器越来越成为产品设计中亟待解决的难点。在这种背景下,本文面向应用,从设计角度出发,重点研究光电耦合器在实际设计中的关键技术及电路结构。同时解决了光电耦合器响应速度慢、驱动能力低以及噪声抑制能力不足等诸多难题,并将三项指标集成设计,统一实现在一款芯片中。所取得的主要研究成果为：1.针对光电耦合器在实际应用中如何实现高速响应这一难题,本文设计了一款具有对称结构的“九宫格”式的光电检测阵列,该检测阵列采用“半透半遮”模式进行工作,可以有效地将入射光子转换为光电流。同时,为了进一步保证从光电流信号到电压信号的高速转换,提出了一种高灵敏度的跨阻放大器与对称型光电检测阵列配合使用,这样不仅能够提高从光到电的转换速度,也可以在完成从光电流信号到电压信号的快速转换。相比原有的非对称光电检测模块而言,本文提出的对称型光电检测阵列和光电转换电路,从源头上大大地降低了单阵列单端输入结构中的噪声干扰,防止输出端的噪声通过衬底干扰前级电路,保证稳定的光电流进入后级电路,实测结果表明该结构实现了全温度范围内光电转换的高速响应和光电耦合器的稳定工作。2.针对如何提高光电耦合器后级驱动能力的问题,提出了光电信号前端处理电路模块以及后端驱动电路模块,实现了对弱信号和强信号的逐级处理,保证了后级电路能够稳定输出强驱动电流。为了避免强电流输出时对前级信号造成的干扰,提出多样化的内部电源管理模式,设计了分立式供电单元,为芯片各模块提供稳定电压。从光电信号前端处理模块开始对光电流的产生进行分析,依据光电流的理论计算方法,在从光到电的信号处理过程中,设计了从光电流到电压转换的电路结构,并对该电压信号进行放大、比较、滤波、整形以及时延调整,保证各级信号有序的流向后级电路。在后端驱动模块中,设计了逻辑与死区时间控制模块,不仅能够产生推动驱动模块中MOS管的驱动信号,还可以防止后级NMOS阵列和PMOS阵列同时导通产生大电流烧毁外围电路。3.针对光电耦合器作为“桥梁”工作在高低压状态时经常会受到干扰的问题,提出了分级降噪与实时保护电路的设计方法。根据光电信号处理的不同阶段,依次在光电信号前端处理及后端驱动模块中加入降噪电路,从而保证在光电信号处理的过程中,各级电路将噪声降至最低,确保没有过大的噪声影响后级电路。为了防止正常工作状态下输出端高压和强电流信号对电路初级的冲击,在版图的整体布局上,根据光电信号走向和主要电源信号流向,充分考虑区域隔离,确保低压敏感信号模块处于安全区域。本文系统的研究了光电耦合器的响应速度、驱动能力以及降噪性能的各项特点,研究结果通过严格的仿真与实验验证,实验结果表明,本文所设计的光电耦合器芯片在稳定工作的前提下,整片上升传输时延是205.5ns～216.2ns,下降传输时延是143ns～155ns,后级输出电流峰值可达到2.5A以上。上述研究结果可以为实际光电耦合系统的设计工作奠定实验基础并具有重要的指导意义。