应用于反射式编码器的光电集成芯片设计

杨雪; 梁煜; 张为; 王熙; 郝东宁

doi:10.37188/OPE.20233108.1136

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应用于反射式编码器的光电集成芯片设计

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-05-04

- 应用于反射式编码器的光电集成芯片设计
- Design of an optoelectronic integrated chip for reflective encoder application
- 光学精密工程 2023年31卷第8期页码：1136-1149
- 作者机构：
  
  天津大学微电子学院，天津 300072
- 作者简介：
  
  [ "杨雪（1999-），女，天津人，硕士研究生，2016年于河海大学获得学士学位，主要从事光电编码器芯片、模拟射频集成电路的研究。E-mail： xxue_0320@163.com" ]
  [ "梁煜（1975-），男，江苏徐州人，副教授，硕士生导师，1997年于天津大学获得学士学位，2006年于天津大学获得硕士学位，2012年于天津大学获得博士学位，主要从事模拟射频集成电路、数字信号处理VLSI等方面的研究。E-mail： liangyu@tju.edu.cn" ]
  [ "张为（1975-），男，陕西西安人，教授，博士生导师，1997年于天津大学获得学士学位，2000年于天津大学获得硕士学位，2002年于天津大学获得博士学位，主要从事编码器芯片、模拟射频集成电路、数字信号处理VLSI等方面的研究。E-mail： tjuzhangwei@tju.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家基础加强重点项目资助(2019JCJQZD24603)
- DOI：10.37188/OPE.20233108.1136
  中图分类号： TN491
- 收稿日期：2022-07-05，
  
  修回日期：2022-10-17，
  
  纸质出版日期：2023-04-25
- 稿件说明：
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杨雪,梁煜,张为等.应用于反射式编码器的光电集成芯片设计[J].光学精密工程,2023,31(08):1136-1149.

YANG Xue,LIANG Yu,ZHANG Wei,et al.Design of an optoelectronic integrated chip for reflective encoder application[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(08):1136-1149.
杨雪,梁煜,张为等.应用于反射式编码器的光电集成芯片设计[J].光学精密工程,2023,31(08):1136-1149. DOI： 10.37188/OPE.20233108.1136.

YANG Xue,LIANG Yu,ZHANG Wei,et al.Design of an optoelectronic integrated chip for reflective encoder application[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(08):1136-1149. DOI： 10.37188/OPE.20233108.1136.

摘要

为满足反射式光电编码器的应用需求，设计一款集成光电二极管阵列、跨阻放大器、全差分放大器以及偏置电路的光电芯片。首先，根据反射式编码器的成像原理设计光电二极管阵列。然后，设计可调增益跨阻放大器、全差分驱动放大器级联作为增量信号处理链路，降低读出信号的噪声同时提高带负载能力。接着，集成具有宽电源电压输入范围以及较好的电源纹波抑制能力的偏置电路。基于0.35 μm光电CMOS工艺进行流片，通过搭建测试环境，光电集成芯片可以在3.5~6 V宽电源电压范围内正常工作，且在电机转速6 000 r/min内输出的增量信号正交性良好。角度测量结果表明，正反转情况下角度测量误差最大值分别为4.752″和5.04″。在5 V供电电压下电路的直流功耗为66.5 mW，整体芯片面积为5.91 mm×2.81 mm。能够满足光电芯片高度集成化、较好的信号正交性、宽电源电压输入范围、高电源纹波抑制能力等要求，适用于反射式光电编码器。

Abstract

This study designed an optoelectronic chip， integrating a photodiode array， transimpedance amplifier， fully differential amplifier， and bias circuit， to meet the application requirements of reflective photoelectric encoders. First， the photodiode array was designed according to the imaging principle of the reflective encoder. The adjustable gain transimpedance amplifier and the fully differential driver amplifier were then cascaded. Regarding the signal processing circuit， it could increase load capacity in addition to reducing the noise of the readout signal. Subsequently， the design integrated the bias circuit to provide a wide power supply voltage input range and effective power supply ripple rejection. The whole chip was fabricated based on a 0.35-um photoelectric CMOS process. By building a test environment， the photoelectric chip can work normally in the wide power supply voltage range of 3.5-6 V， and the incremental signal output within 6000 r/min has good orthogonality. The results of angle measurement showed that the maximum error of angle measurement is 4.752″ and 5.04″ under forward and reverse rotations， respectively. Using a 5 V supply voltage， the DC power consumption of the circuit is 66.5 mW. The overall chip area is 5.91 mm×2.81 mm. In general， the proposed optoelectronic chip can meet the requirements of high integration of photoelectric chips， good signal orthogonality， wide power supply voltage input range， and high power supply ripple suppression ability. Therefore， it is suitable for reflective photoelectric encoders.

关键词

Keywords

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