音频信号红外发射芯片的设计

工学硕士学位论文
音频信号红外发射芯片的设计
朱晓强
哈尔滨工业大学
2006年10月
图书分类号：TN432
U.D.C.: 621.3.049.774
工学硕士学位论文
音频信号红外发射芯片的设计
硕士研究生：朱晓强
导师：肖立伊教授
申 请 学 位：工学硕士
学科、专业：微电子学与固体电子学
所在单位：微电子科学与技术系
答辩日期：2006年10月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index：TN432
U.D.C.: 621.3.049.774
Dissertation for the Master Degree in Engineering
A CHIP DESIGN OF INFRARED RAY
AUDIO-SIGNAL TRANSMITTER
Candidate：Zhu Xiaoqiang
Supervisor：Prof. Xiao Liyi
Academic Degree Applied for：Master of Engineering
Specialty：Microelectronics and Solid-State
Electronics
Affiliation Dep. of Microelectronic Science
And Technology
Date of Oral Examination：October, 2006
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
音频红外无线接收/发射系统是以红外光作为载体近距离传递音频信号的光电系统，由发射部分和接收部分所组成。

发射部分与麦克风等拾音设备相连，从拾音设备中输出的音频信号进入到发射部分后，经过放大和调制后被发射出来。

本论文所完成的是音频红外发射驱动芯片的电路设计工作。

主要包含两个大的模块：低噪声放大器和红外频率调制器。

低噪声放大器在模拟电路中的应用是非常广泛的，可以作为很多电路的第一级输入放大器，是在背景噪声比较高的环境下提取信号普遍采用的电路结构，在一般的具有接收功能的模拟系统中都要用到这种低噪声放大器。

红外频率调制器模块，则是利用了压控振荡器的原理，把相应的电压的幅度变化转化为输出信号的频率变化，是完成红外调频功能的主要功能模块。

这两部分电路共同构成了一个音频红外发射芯片电路，输入信号经过低噪声放大器的预防大后进入到红外频率调制器电路，由红外频率调制器来完成对信号的调制功能，输出一个中心频率可以进行调整的矩形波信号，来驱动红外二极管工作，完成对信号的红外发射功能。

本论文完成了红外发射芯片的电路设计工作，通过了电路的模拟验证，并绘制了版图。

其中，红外频率调制部分的电路在电路模拟验证、绘制版图及后仿真完成后，还进行了投片，在本文中还对芯片进行了测试，给出了芯片的测试结果。

红外频率调制器芯片能够很好地完成音频信号的调制功能，具有非常广阔的应用前景。

关键词红外无线系统红外频率调制器低噪声放大器
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Abstract
Audio infrared wireless transceiver is a photoelectric system transmitting audio signals carried by infrared light. It comprises of two parts—transmitter and receiver. The transmitter is connected to the tone arm such as microphone from which the audio signals enter the transmitter. The signals are amplified and modulated before sent out.
The main work of the thesis is the design of the infrared transmitter. It mainly consists of the design of the low noise amplifier and infrared frequency modulator. The low noise amplifier is widely used in analog systems. It can act as the first-stage input amplifier in many circuits, capable of sampling useful signal from highly nosy background. . Usually the low noise amplifier is widely used in those analog systems with functions of receiving siganls. On the other hand, the infrared frequency modulator is the primary module to modulate frequency. Via a VCO, the modulator translates the voltage variety to frequency variety of output signals. So the input signals, entered to the modulator after been amplified by the low noise amplifier, are modulated to rectangular ones with the center frequency being adjustable. The modulated signals are used to drive the infrared diode to generate infrared light.
The schematic design of the infrared transmitter is finished in the thesis, and is verified by simulation. Also the layout is given. Finally the chip is fabricated under CSMC 0.6μm CMOS technology. The test results of the chip show a satisfying performance of the designed infrared transmitter.
Keywords Infrared Wireless System; Infrared Frequency modulator; Low noise amplifier
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目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 红外传输技术简介 (2)
1.2.1 红外传输技术特点及分类 (2)
1.2.2 红外线传输技术应用 (4)
1.3 红外传输技术国内外研究现状 (4)
1.4 本文的主要研究内容和论文结构 (6)
第2章音频信号红外发射⁄接收系统的结构 (7)
2.1 音频信号红外发射⁄接收系统简介 (7)
2.2 红外发射系统的结构 (7)
2.3 红外接收系统的结构 (8)
2.4 本章小结 (10)
第3章红外发射芯片中低噪声放大器的设计 (11)
3.1 低噪声放大器结构设计 (11)
3.2 低噪声放大器电路设计 (13)
3.2.1 用于估算的工艺参数和设计要求 (14)
3.2.2 噪声的性质和特点 (15)
3.2.3 MOS管的热噪声 (17)
3.2.4 MOS管的闪烁噪声 (18)
3.2.5 电路的设计和参数估算 (19)
3.3 反馈网络设计 (24)
3.4 低噪声放大器的仿真结果 (26)
3.5 本章小结 (32)
第4章红外频率调制器设计 (34)
4.1 红外频率调制器的工作原理 (34)
4.2 红外频率调制器触发电路设计 (35)
4.2.1 触发电路的结构设计 (35)
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4.2.2 触发电路设计和工作原理 (37)
4.2.3 触发电路的模拟结果 (39)
4.3 红外频率调制器中压控振荡器电路设计 (40)
4.3.1 压控振荡器电路的结构设计 (41)
4.3.2 压控振荡器中触发器电路的设计 (42)
4.3.3 压控振荡器的内部电路的设计 (44)
4.3.4 压控振荡器外围电路的设计 (45)
4.4 红外频率调制器的电路 (47)
4.5 红外频率调制器模拟结果 (48)
4.6 红外频率调制器的测试 (50)
4.6.1 测试方案 (51)
4.6.2 测试说明 (52)
4.6.3 测试结果 (52)
4.7 音频红外发射芯片的整体电路 (54)
4.8 音频红外发射芯片的版图 (57)
4.9 本章小结 (58)
结论 (59)
参考文献 (60)
攻读学位期间发表的学术论文 (63)
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (64)
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (64)
致谢 (65)
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第1章绪论
1.1课题背景
红外线是一种电磁波，其波长在无线电波与可见光波之间，约为0.75－1000微米，属于不可见光[1]。

自1800年英国科学家威·赫谢耳(W. Herschel)在研究太阳光谱的热效应时发现以来，它在信息技术与通讯、保健与生命科学、国防与太空、科研与教育等领域中得到了广泛的应用[2]。

随着社会的发展，无线电通信系统得到了越来越广泛的应用，市场上许多无线产品都是基于无线电通信技术。

然而，无线电信号的频率范围已经非常拥挤，并且各个国家对无线电频谱范围管理都比较严格，可提供的频率范围已经非常短缺。

这样，人们在短距离的信号通信方面希望找到一种能够适合各个国家规范要求的无线传输的手段。

在真正考察了目前的通信市场的情况后，发现在电磁波谱的光学范围内的红外线在全球市场上没有严格要求，并且不需要认证，同时能够满足短距离的通信需要[3]。

由此，人们对红外传输技术产生了浓厚的兴趣。

半导体技术的不断发展更是为红外无线通信的发展带来了更加广泛的发展空间。

由于CMOS工艺技术的独特优点，使通信设备小型化的发展得到了长足的进步。

而在红外通信方面，使设备的其他部分与红外通信设备集成到一块芯片上成为了可能，更加有效地减小了设备的体积，同时对于功耗的降低起到了积极的作用[4]。

这样，使利用电池供电的移动设备能够在更加广泛的范围内得到应用，方便了人们的使用，丰富了人们的生活。

红外无线接收/发射系统是以红外光作为载体近距离传输音频信号的光电系统，是实现红外通信的主要设备，由发射部分和接收部分所组成，发射机普遍为宽视式或散射式的发射机，可以为红外无线系统的使用人员提供更大的移动的范围[5]。

这样就加强了红外无线设备的应用范围，而红外发射芯片是构成红外无线发射系统的关键部件，这样，红外发射芯片的进一步完善为红外无线系统的应用提供了更加美好的前途。

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1.2红外传输技术简介
目前，市场上传输方式分为无线和有线两种。

相对于有线传输，与并/串口线缆相比，红外传输技术具备更高的传输速度和更广泛的适用性；与专用数据线（手机等）相比，红外传输亦具备良好的适应性与普及度。

对于无线传输技术，还有很多种，如蓝牙（ Bluetooth ）、无线局域网802.11（ Wi－Fi ）、ZigBee 、超宽频（ Ultra Wire Band ）、短距通信（ NFC ）、WinMedia、DECT和无线1394等[6]。

它们都有其自身独到的特点：有的基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；有的着眼于功能的扩充性；还有符合某些单一应用的特别要求或建立竞争技术的差异化等。

但是，没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。

在应用方面主流的有红外无线技术、蓝牙技术与802.11b/a/g无线传输技术[7]。

与蓝牙技术、802.11b/a/g等无线数据传输技术相比，红外传输技术的传输性能要强于蓝牙[8]，虽然它的性能弱于802.11b/a/g，但红外产品价格上更加低廉，普及度也更高，这使它具有极高的性价比。

总之，红外传输技术可以满足设备的高位速率数据通信要求，并且具有巨大的不受限制的带宽潜力，还具有低功耗等优势。

如：在以1Mbps的速率传输时，红外通信需要大约150mW的功率，而无线电通信方面的其他技术却需要大约1W的功率[9]。

由于红外线不能穿透墙壁等不透明物体，从而使得传输信息具有很高的安全性。

虽然红外传输技术也有一些弱点，但这并不影响红外技术在室内通信中的应用。

因为在室内短距离的数据通信时，红外通信能够满足环境的要求，其位速率也从最初的几Kbps达到目前的几百Mbps[10]。

这些都有利于红外技术在家庭娱乐，办公及车载音响等方面的应用。

1.2.1红外传输技术特点及分类
红外传输技术具有以下特点：一是无需专门申请特定频率的使用执照。

二是传输速率高，由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达4-16Mbps。

三是由于是点对点直线传输，因此安全性能好。

四是红外传输设备具有体积小、功耗低的特点。

五是有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点[11]。

因此，红外传输技术在小型的移动设备中获得了广泛的应用。

红外传输技术的弱点主要有两方面：首先，无线电波和微波已被广泛地应用在长距离的无线通讯之中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力
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差，不能实现无线电通信具有的穿透物体传输信息的功能，只适合应用在需要短距离无线通讯的场合来进行点对点的直线数据传输。

其次，外界光线的直射以及物体对外界光线的反射会对红外无线通信产生干扰。

在红外无线传输环境中有三种光线对数据传输有比较大的影响：太阳光、荧光灯和白炽灯，影响的波长范围如图1-1所示：
图1-1光线对红外通信的影响
Fig1-1Influence on Infrared Communication by Ray
太阳光影响范围比较广，在波长500nm附近强度最大,一直到1100nm都具有比较强的谱密度；荧光灯只在600nm左右产生比较大的干扰；白炽灯具有比较大的带宽影响，在1000nm以后使影响达到峰值[12]。

因此，采用的红外线的波长决定了红外无线传输系统的应用范围。

为了规范红外信号发射、接收，产生了IRDA（ Infrared Data Association即红外数据协会）。

是使用红外线为媒介进行点对点数据通信的短距离无线传输标准。

红外数据协会将红外通讯协议所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm内[13]。

红外传输方式根据红外发射机和接收机位置进行分类，在这种分类原则条件下，红外传输方式可分为4种类型：
(1)窄视方式（ NLOS，Narrow Line of Sight ）
(2)宽视方式（ WLOS，Wide Line of Sight ）
(3)散射方式（ Diffuse ）
(4)跟踪方式（ Tracked ）[14]。

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1.2.2红外线传输技术应用
人们随着生活水平的提高，对生活中使用的机器设备在保持整体性能不变的条件下，对可移动性的要求越来越高，以满足自身对自由的向往。

红外传输技术满足了人们对于移动性和自身解放的追求。

它在许多有线通讯不能满足或不能完全满足需要的领域中，显示出极大的优越性。

它不但用于家庭、剧场、会议同声传译、听力障碍者、演播室监听，而且还在电化教学、医疗听诊及交通等领域得到了成功的应用[15]。

红外传输技术最为广泛的应用之一就是音频发射/接收系统。

对于音频发射/接收系统，市场目前主流的产品有：音频红外发射/接收系统和蓝牙发射/接收系统。

与红外无线系统相比较，蓝牙无线系统具备“穿墙透壁”的能力，活动范围加大，一般可达到50－100米的半径，信号传输效果理想，受阻碍物影响小，可以进行长距离接收等优点[16]。

它主要包含蓝牙无线接收机及蓝牙无线发射机两部分。

蓝牙无线发射机负责转换音源成SBC编码格式的信号，并以蓝牙无线技术传出信号，再由蓝牙无线接收机负责接收并播放[17]。

通过对比，可以发现，红外无线系统在室内可以良好的接收固定发射机的信号；而蓝牙无线系统更适合移动通话。

二者可共存，市场也证明了这一点。

红外传输技术在无线扬声器方面也发挥着巨大的作用，采用无线环绕扬声器，音响的布局更加灵活、美观，以更富有临场感的音响来欣赏电影与音乐。

由于采用红外线方式进行传输，不会与个人电脑等无线局域网发生信号干扰，从而实现了信号的无音质劣化的高音质传输，而且无需安排纵贯起居室的环绕扬声器连线[18]。

这样使环绕扬声器变得布局简单、容易，可以分开摆放。

各环绕声道功率相等，因此效果更加逼真、细腻，使人们在时尚的家居空间内能够感受到影院的震撼音效。

红外传输技术在红外通信方面也得到了广泛的应用，能够很好地完成手持无线设备间的数据传输，如：市场上出现的新式红外线键盘，在这种产品中红外线发射机是可以270度的旋转，不管红外线接口在什么位置都可以使用。

红外无线鼠标，早已应用在办公及家庭娱乐领域。

红外通信还可被广泛用于文件传送、红外无线打印、红外图像传输、红外遥控和红外网络等各个领域[19]。

1.3红外传输技术国内外研究现状
早在1997年，全球销售的1500万台笔记本电脑中的97%就已经安装了红
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外数据通讯设备[20]。

如今，红外无线通信技术作为技术最成熟、应用最广泛的无线短距离通信技术，巨大的装机量使其在无线通信技术市场中拥有了庞大的用户群体。

从设备安装量考虑，红外通信技术目前已拥有每年一亿五千万套的设备安装量，并且它保持着每年40%的高速增长[21]。

强劲的增长数字，表现出了全球范围内的厂商对于红外通信技术保持着乐观的态度，红外通信技术已被全球范围内的众多软、硬件生产厂商所支持和采用，目前主流的软件和硬件平台均提供对它的支持，全世界大部分公司的技术方案均支持红外传输技术的传输接口。

手机市场上，各大主流厂商也早已在其产品中配套支持了红外传输接口。

从当前的情况来看，红外传输技术无论是从应用覆盖度，技术成熟度和用户接受度来说，都在各类无线通信技术中处于领先地位[22]。

随着笔记本电脑、手机和PDA越做越小，其产品的应用越发的广泛，无线传输就越来越显得重要。

而红外传输技术具有的设备体积小，传输速率高，数据质量高且安全性好等优点[23]，使得应用变得更加的广泛。

随着红外传输技术的发展，适用于红外设备各种功能的芯片的设计和应用也得到了很大的发展，例如：PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的红外遥控芯片，可以通过外接电阻调节载波频率，外接电阻的调节范围430kΩ－470kΩ之间，输出载波频率38kHz－40kHz，能够很好的完成发射和接受功能。

丹麦的DIS数字红外系统分别开发了四通道、八通道和三十二通道的DR6004/DR6008/DR6032这三款芯片，用于无线同声传译系统和音频信号的发射和接收，适用于多功能厅、酒店以及会议室等。

适合于同声传译会议系统的还有LBB4502/4503发射和接收芯片，其标准符合IEC-61603标准中，第7部分的标准，最多传输32通道，采用里德－所罗门码纠错，并结合误码率门限，保证了高音质的传输；在频率方面采用2MHz－8MHz频段，数字传输协议允许传送附加控制信息(例如多通道的同步)，由于数字技术的引用，所以能达到极高的音频质量，信噪比高达80dB，是一款性能良好的音频红外发射/接收芯片。

总之，红外无线接收/发射芯片设计的不断发展促进了红外传输技术的应用，红外传输技术将越来越多地服务于人们的生活，它在无线通信方面发挥着越来越大的作用，填补了有线通信存在不足的方面，为整个通信市场的完整提供了有力的保障。

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1.4本文的主要研究内容和论文结构
本论文主要是研究音频信号红外发射驱动芯片，进行了比较系统的电路设计，并对其中的两大模块电路：低噪声放大器和红外频率调制器；进行了设计和电路模拟工作，使本设计完成的电路能够满足设计要求的需要。

基于以上的内容，本论文的结构安排如下：
第一章为绪论，主要介绍了课题背景，红外传输技术的特点和种类，各种不同功能的红外芯片应用以及国内外发展现状；
第二章为红外接收/发射系统的总体结构介绍，主要介绍了红外发射⁄接收系统的整体结构，对这个系统有一个总体上的认识；
第三章为音频信号红外发射芯片中的低噪声放大器的设计，从放大器的结构设计开始，把它分成四个电路的子模块进行了设计，完成了这部分电路的模拟工作，绘制了版图，并对此放大器的设计工作进行了总结。

第四章介绍了音频红外频率调制器电路的设计工作。

把它分成两个子模块电路进行了设计，完成了这部分电路的电路模拟工作，并且在这个基础上，绘制了电路的版图，进行了参数的提取，完成了后仿真，还进行了投片，对芯片进行了测试，给出了测试结果。

最后，把整体的红外发射芯片电路在这里做了电路模拟，给出了相应的模拟结果，绘制了版图。

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第2章音频信号红外发射⁄接收系统的结构
2.1音频信号红外发射⁄接收系统简介
音频红外发射/接收系统是以红外光作为载体来传输音频信号的，集声、光、电于一体的信号传输及处理系统[24]。

它主要应用于红外耳机、红外通信、无线扬声器和红外遥控等方面[25]。

为了满足人们追求自由和听觉上的要求，无线音频设备系统设计越来越复杂。

而在音频系统中，利用红外线进行传输的红外无线传输系统一直是人们不断开发和研究的方向。

就红外发射⁄接收系统的发展而言，自70年代以来发展很快，首先是出现了宽带单声道FM系统、窄带双声道FM系统，然后经过不断的研究，宽带双声道(立体声)系统和多信道窄带系统相继问世了，紧接着是运用压/扩频技术的高保真双声道系统，非连续调制系统及双工系统的不断发展[26]。

随着发射/接收机的不断更新，芯片厂商相应推出了许多能满足音频红外传输方式的芯片。

国外厂商如ST，就推出TSH512/511（发射/接收）芯片来满足市场的需求。

2.2红外发射系统的结构
对于这种红外系统发射芯片的结构主要由低噪声放大器、红外频率调制器和输出部分所组成，具体的结构可以参看图2-1所示：
图2-1红外发射系统的结构
Fig2-1Structure of Infrared Transmit-System
从麦克风等音频设备输出的音频信号要经过低噪声放大器的放大后，进入到红外频率调制器中，将相应的信号的幅度调制为输出信号的频率变化，输出的信号为频率不同的矩形波信号，利用这个信号到达输出部分后，驱动红外发光二级管发光，来完成红外信号的发射功能。

在麦克风中，把相应的声音的声压的变化转化成了变化电压的输出。

由于
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在麦克风的输出中存在一定的噪声成分，它对于后级的放大器来说，是一种具有一定的背景噪声的信号输出，为了把电路内部的噪声的影响降到最低，所以在麦克风的输出之后，利用低噪声放大器对信号进行放大，只有这样才能够更加有效地完成对这个信号进行放大，把信号中的噪声成分降到最低。

对于麦克风的输出信号的强度是这样的，在距离麦克风250mm处轻声说话时，这时的麦克风的输出大约为2mV。

在距离麦克风150mm处大声讲话时，麦克风的输出大约为12mV[27]。

这样就得到了要设计的低噪声放大器的输入信号的电压范围，对于音频信号的频率是从20Hz到20kHz变化的，低噪声放大器处理信号的频率宽度要以麦克风的输出的频率范围为准，并且留有一定的余度。

在信号通过低噪声放大器放大后，它的幅度将被放大，红外频率调制器对输入信号的摆幅有一定的要求，这样，就可以满足后面的红外频率调制器对输入信号的需要，当低噪声放大器的输入信号被放大后，输出信号的摆幅满足了红外频率调制器对输入信号的要求，实现对信号调制后，就可以通过输出部分的电路来驱动红外发光二极管来发光，完成整个电路的发射功能。

在一般的红外频率调制器中，它被设计成矩形波输出、非连续的工作方式，由触发电路和压控振荡器（VCO）两部分电路所组成。

触发电路实现对信号进行检测，当输入信号被放大后的强度达到一定的幅值时，提供一个控制信号来启动压控振荡器电路进行工作。

当输入信号的强度经过放大后没有达到要求时，提供一个相反的控制信号来关闭压控振荡器电路，使其处于不工作的状态。

这样，发射机在需要的时候处于一种工作状态，而其他的时候将处于一种不工作的状态。

进而达到一个节省功耗的目的，使整个发射机的工作能够得到相应的有效控制。

压控振荡器由一些基本的逻辑电路和电容所构成，利用电平的高低变化以及利用电容上充放电的时间延迟来完成振荡的功能，实现了从电压的幅度的变化到输出的频率变化，电路简单而有效。

输出部分的电路主要用于驱动红外发光二极管的工作，其实质是一种红外发光二极管的驱动电路。

这样，这个系统就能够在输入一个音频信号的条件下，经过对信号的放大、调制，进而来驱动红外发光二极管工作，实现对信号的红外发射功能。

2.3红外接收系统的结构
信号经过红外发射机发射出来后，要进行接收，其接收机的结构主要由光电转换、脉冲放大、频率解调和音频放大四个部分所组成[28]，具体如图2-2所
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