LED发射器

　　对LED和LD的特性进行比较可以知道：对于LD来说，它具有输出功率大、光谱窄、能够达到较高的调制速率等优 点，它适应于长距离，高速大容量的光通信系统。而对LED来说，由于它的发射角较大，与光纤的耦合效率低，光 谱较宽，同时需要较大的驱动电流、输出功率和调制速率比LD要差。但是由于它的寿命长，受温度影响小，成本 低廉，使用方便可靠，因此它非常适用于短距离、小容量或中距离、中容量的光通信系统。另外，由于LED的输出 光功率——电流特性近似为线性，所以它在模拟光通信系统中应用更加广泛。

　　鉴于LED驱动电路比较简单，同时LED器件的成本低，寿命长，就使得LED在数字光纤通信系统中得到应用。然而 由于LED器件的输出光功率比较小，光束发散角大，入纤功率小，限制了数字光纤通信的中继距离。又由于LED的 谱线宽度大及其调制速率与输出功率的矛盾，决定了LED只能应用在低速短距离和小容量的数字光纤通信系统中。 LED理论上是不需要偏置电流的，但是，己经证明加入一个小的直流偏置电流有利于高比特率的应用。小的直流偏 置非常容易得到，比如利用一个电阻。由于发光二极管的特性曲线比较平直，温度对光功率的影响也并不严重， 因此它的数字驱动电路一般较简单，不必采用复杂的自动功率控制（APC）和自动温度控制（，ATC）电路。

　　图1是一种简单的集成硅LED发射器，该器件采用0.8μm标准BiCMOS工艺制作而成。驱动电路由两级反相器组成 ，能实现对输入信号的有效放大。电阻Rs起到了限流保护的作用，电容Cp能对器件充放电速度进行补偿，提高器 件的调制速度。

图1  简单的集成硅LED发射器

　　图2所示为一种基于0.6μm CMOS工艺实现的硅基LED及其驱动电路的单片集成拓扑结构图。图中的硅发光二极管 采用正八边形的交错pn结结构，发光区域面积为50×50μm2。LED驱动电路主要包括：输入阻抗匹配电路、差分信 号放大电路、源跟随器电路、输出电路，其中输出电路由Cascade模块和反相器构成。

图2 0.6μm CMOS集成硅LED发射器拓扑图

　　输入阻抗匹配电路的主要作用是提供50Ω的输入阻抗，便于不同模块之间的阻抗匹配。端口I_nn与I_np为信号的输 入端口。PMOS管M_p0与NMOS管MN0采用二极管连接方式进行连接，起到了分压的作用。本电路输入信号为通信中标 准的差分信号，其波形为矩形波，则假设其高电平为V_IH，低电平为V_IL。调节Mp0管与MN0管的沟道宽度（W）与沟 道长度（L）的比值，使节点A的电压达到V_IH与V_IL的平均值，即

　　V_A＝（V_IH+V_IL）/2

　　电阻R₁与R₂的阻值均为50Ω。输入信号由端口Inn和Inp输入，经过阻抗匹配电路后产生输出，作为电路的输 入信号。

　　差分信号放大电路采用PMOS管作为负载的差分对结构。施加适当的偏置电压Vb使MN3管工作在饱和区，通过调解 MN1管、MN2管、Mp1管、Mp2管的沟道宽度（W）与沟道长度（L）的比值，使输入的小信号得到足够的放大。NM0S 管MN4与MN5、MN6与MN7分别构成了简单的源跟随器电路，其作用为隔离信号和降低电平。

　　输出电路的输入端分别与前源跟随器电路的输出端相连接。Cascode模块采用电流镜结构作为负载，实现了 差分输入到单端输出的变换。通过调解MN：管、MN9管、Mp3管、Mp4管的沟道宽度（W）与沟道长度（L）的比值， 能将输入信号进一步放大。反相器电路结构如图⒍5末端所示，该电路起到了一定的缓冲作用。反相器的输出信号 通过控制输出PMOS管（Mp6管）的栅极，从而控制输出端（out端）的电压和电流。为了使该电路具有较大的驱动 能力，Mp6管应具有较大的沟道宽度(w）。

　　整个芯片电源电压VDD为5 V。图2为该硅LED发射器芯片照片。

图2 0.6μm CMOS硅干ED发射器芯片照片

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