基于CMOS技术的红外接收芯片前端设计及实现

论文摘要

从红外遥控的市场需求和行业发展前景考虑,论文对基于0.5μm硅栅CMOS工艺制造的一款中端全集成红外接收芯片提出了具体的设计方案,并完成了其前端电路（包括电流—电压转换和前置放大器两部分）与版图设计。首先,通过对红外遥控系统的组成和工作原理、红外线的传输方式和环境噪声等内容的了解,明晰了红外接收芯片的工作流程,确定了芯片的整体设计方案和各项设计指标。其次,在满足芯片整体设计前提下,结合光敏检测器件构造了一种变阻结构实现电流—电压转换电路,并采用折叠共源共栅的全差分放大器和电阻、电容构成有源高通滤波器作为前置放大器。在Cadence环境下使用CSMC（上华）0.5μm CMOS mix-signal-Si栅TPDM工艺模型仿真验证以上电路。同时设计完成了它们的版图,总面积在230*120μm2左右。芯片整体版图（包括划片道以及测试引脚）在850*700μm2左右。最后,对MPW投片返回的芯片分别从电路级别和产品级别进行了测试。测试结果显示芯片前端正常工作;芯片能在2.5～6V的电压范围内工作;接收角度为±45°;晴天室内接收距离达15米左右,较差于市场上的主流产品;有较强的抗噪声能力,在变频荧光灯的环境下芯片能正常工作;能避免瞬间输入光电流过大,太阳光直射下芯片仍能有效输出。此芯片的研制能带来较大的经济效应。目前设计中还存有接收距离较近的不足,需要进一步改进解决。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 遥控技术（Remote Control）
• 1.1.1 遥控理论
• 1.1.2 发展历史
• 1.2 红外遥控（Infrared Remote Control）
• 1.2.1 红外线概述
• 1.2.2 红外遥控系统
• 1.3 全集成红外接收头
• 1.3.1 结构组成
• 1.3.2 市场前景
• 1.3.3 国内动态
• 1.4 课题任务
• 第二章 红外线的发射、传输与接收
• 2.1 红外线的发射及传输
• 2.1.1 半导体发光材料
• 2.1.2 红外线的传输方式
• 2.1.3 红外线发光二极管
• 2.2 红外线的接收——红外光电二极管
• 2.2.1 工作原理
• 2.2.2 工作模式
• 2.2.3 PIN型光电二极管
• 2.3 小结
• 第三章 红外接收环境中的噪声分析
• 3.1 环境背景噪声
• 3.2 器件自身的噪声
• 3.3 MOSFET中噪声
• 3.4 系统噪声参数
• 3.5 小结
• 第四章 红外接收芯片的设计
• 4.1 芯片系统
• 4.2 参考电压电路
• 4.3 前端电路
• 4.4 AGC电路、AGC放大器
• 4.5 限幅放大器
• 4.6 滤波器
• 4.7 积分和比较电路
• 4.8 整形电路
• 4.9 静电保护
• 4.10 小结
• 第五章 前端电路的分析
• 5.1 光检测器件
• 5.2 设计分析
• 5.2.1 跨阻方式
• 5.2.2 噪声信号
• 5.2.3 载波信号
• 5.2.4 解决方案
• 5.2.5 灵敏度确定
• 5.3 小结
• 第六章 I-V转换电路的设计
• 6.1 具体设计
• 6.1.1 PIN工作点的设置
• 6.1.2 载波信号的获取
• 6.1.3 MOS管的变阻特性
• 6.1.4 变阻负载结构
• 6.2 仿真验证
• 6.3 小结
• 第七章 前置放大器的设计
• 7.1 重要性
• 7.2 实现方案
• 7.3 全差分放大器
• 7.3.1 指标确定
• 7.3.2 指标分析
• 7.4 仿真结果
• 7.5 小结
• 第八章 版图设计
• 8.1 工艺介绍
• 8.2 版图设计
• 8.3 版图布局
• 8.4 版图验证
• 8.5 小结
• 第九章 红外接收芯片的测试
• 9.1 初步测试
• 9.1.1 电路板测试
• 9.1.2 初步测试结论
• 9.2 产品测试
• 9.2.1 产品封装
• 9.2.2 测试结果
• 9.3 模块测试
• 9.4 小结
• 第十章 工作总结与改进方向
• 10.1 工作总结
• 10.2 改进方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的成果