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高速高线性度BiCMOS光电耦合隔离放大器设计

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文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的价值及意义

1.2 发展历史及现状

1.3 高速高线性度光电耦合隔离放大器的基本问题

1.4 论文章节安排

第二章 微电子与光电子集成器件设计基础

2.1 载流子复合与寿命

2.1.1 直接辐射复合

2.1.2 直接俄歇复合

2.1.3 经由中心的复合

2.2 载流子的速场特性

2.3 碰撞离化现象

2.3.1 阈值离化能

2.3.1 隧穿碰撞离化能

2.3.1 碰撞离化率

2.4 光电耦合隔离放大器的性能指标

2.4.1 电流传输比-正向电流特性

2.4.2 电流传输比-环境温度特性

2.4.3 输入/输出间绝缘耐压

2.4.4 响应时间

2.4.5 转换速率与建立时间

2.4.6 功耗

2.4.7 噪声

第三章 BiCMOS光电耦合隔离放大器设计

3.1 设计目标

3.2 光电耦合隔离放大器的整体结构设计

3.3 高效与标准微电子工艺兼容的光发射器件设计

3.3.1 硅基光发射二极管

3.3.2 与标准微电子工艺兼容的硅发光二极管

3.3.3 速率方程模型

3.4 高速高灵敏度光接收器件设计

3.4.1 光电晶体管

3.4.2 PIN型光电二极管

3.4.3 PIN结构雪崩光电二极管

3.5 输入放大器A1的设计

3.5.1 传统的输入放大器A1设计

3.5.2 高稳定性输入放大器A1的设计

3.6 输出放大器A2的设计

3.5.1 传统的输出放大器A2的设计

3.5.2 高速输出放大器A2的设计

3.7 偏置电路设计

第四章 放大器性能改善的措施

4.1 改善放大器线性度的措施

4.1.1 输入放大器的非线性分析

4.1.2 源极退化技术

4.1.3 光电耦合隔离放大器的非线性分析

4.1.4 并列互补LED连接形式

4.2 抗噪声电路设计

4.2.1 光电二极管与输出放大器的噪声分析

4.2.2 噪声过滤电路设计

4.3 元器件工艺优化与参数优选

4.3.1 CMOS器件的工艺优化

4.3.2 光电集成下的BiCMOS工艺优化

4.3.3 隔离放大器的整体结构及其参数的优选

第五章 隔离放大器的电路建模与PSPICE仿真

5.1 光电器件的建模

5.1.1 LED电路模型

5.1.2 PIN雪崩光电二极管的电路模型

5.2 光电耦合器性能分析

5.3 光电耦合隔离放大器的电压传输特性分析

5.4 光电耦合隔离放大器的幅频特性

5.5 共模抑制(CMRR)特性

5.6 阶跃响应特性

5.7 时延-功耗积DP与电源电压VDD的特性曲线

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

附录 PIN雪崩光电二极管具体模型参数

攻读硕士研究生期间发表的论文

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摘要

在工业自动化检测、计算机数据采集系统、测量仪器仪表等诸多工业控制与测量工作中,需要解决的一个共性问题就是工业现场模拟信号采集时的抗干扰问题。事实证明,采用光电耦合隔离放大器是行之有效的方法之一。由于其结构简单、体积小、抗干扰能力强,所以被广泛应用。然而,长期以来模拟量光电隔离一直是数据采集和测控电路中的一个比较棘手的问题,主要因为是普通光电耦合器件一般线性范围都很窄,且温度系数较大,元件参数分散。因此,线性度是光隔离放大器的一个重要参数,它表示光隔离放大器的信号传输精度。
   本文对国内外光电耦合隔离放大电路的设计方法做了广泛的调查研究,分析了这些方法的工作原理和各自的优缺点。在吸收国内外先进光电子与微电子集成技术的基础上,为满足工业模拟信号采集对线性度和速度日益增长的要求,设计了一种新型的BiCMOS光电耦合隔离放大器。文中根据要求设计了高发射效率且能与标准的CMOS工艺兼容的硅发光二极管光发射器;设计了高速并能与标准BiCMOS工艺兼容的PIN雪崩光电二极管光接收器;同时还根据光电耦合效率和速度的不同要求,设计了相应的CMOS输入放大电路和BiCMOS输出放大电路。论文还针对光电子与微电子工艺技术的不同特点,对整个光发射器电路的线性度、响应速度、抗干扰能力等性能指标作出了改进。根据所设计的光发射器和光接收器的结构、工艺特点分别进行了电路建模与分析,通过PSpice8.0软件对它们组成的光电耦合器进行了数值模拟。采用标准的台积电(TSMC)0.35μm BiCMOS工艺模型,用PSpice8.0软件对所设计的BiCMOS光电耦合隔离放大器的整体电路进行了仿真试验。结果表明:在5 V的电源电压下,所设计的BiCMOS光电耦合隔离放大器增益线性度达到5.5×10-5,±3 dB带宽达85 MHz,静态功耗为6.13 mw,而时延只有5.68 ns,实现了预期的设计要求。

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