光纤LED驱动电路的设计原理分析

2014-12-21 11:15:55编辑:探路者 关键字:光纤  LED  驱动电路

  为了减少数据传输时间在整个系统处理时间指标中所占的比重,要求数据传输率应不小于E1(2.048Mb/s) 速率,同时要求通信链路安全、可靠。我们通过对各种数据通信技术的分析,最终选择了光纤键路,取得了满意的效果。

  1铜介质数据链路分析

  由于同时要求较高的数据传输率及较长的通信距离,在铜介质链路中不进行编码和调制很难满足指标要求,但是高速调制解调器不仅价格昂贵,而且双方握手过程费时,在要求随机实时传输数据的场会显然不适用。

  最重要的是,传统的铜介质链路既产生电磁干扰信号,又容易受电磁干扰的影响,而且不易满足EMC(电磁兼容)和EMI(电磁干扰)标准的要求。

  2光纤链路的分析

  在人们的传统印象中,光纤应用于短距离通信是不经济的,但是它有着铜介质键路不可比拟的优点:①光纤链路既不发射电磁波,也不受其影响,光纤之间没有干 扰,误码率大大降低。设计人员不用考虑可能耦合进来的环境噪声;②光纤提供了通信链路双方之间的电气隔离,消除了长距离设备之间由于地电位不同引起的问 题。同时设计人员再也不用为阻抗匹配而头疼了;③光纤发射器可采用数字调制驱动电路。数字基带信号只要经过简单的线路编码,即可直接驱动光纤发射器。

  现在,光纤器件价格与以前相比已经大幅下降,而今后随着钢缆价格的上升及光纤器件价格的进一步下降,人 们选择光纤时将不再首先考虑价格因素。因此,我们综合考虑速率与距离指标,选择合适类型的光纤、收发器及其驱动电路,可以获得高性能价格比的光纤通信键 路,这正是本文要讨论的重点。

  3光纤通信器件的选择

  一个基本的光纤通信系统非常简单:一个LED发射器将电信号转变成光信号,并将之耦会进入传输光纤中,光信号通过光纤到达光接收器,它把接收到的光信号恢复成原来的电信号输出。

  •光缆的选择:一般,石英玻璃光纤由于其低损耗、高带宽而用于长距离通信链路,例如,以太网和FDDI标准指定采用多模 62.5/125μm石英玻璃光纤。这些细纤芯的光纤需要高精度连接器以减少耦合损耗,对于工业应用,需要低成本的光缆和连接器。因此,1mm的 POF(Plymer Optical Fibers)和200μm的HCS(Hard Clad Silica)光纤是最好选择,它们均属于阶跃折射率的多模光纤。

  1mm POF的典型损耗值在650nm波长时为0.2dB/m,而200μm HCS光纤在650mm波长典型损耗值仅为8dB/km,在820nm波长时更少。HCS光纤的核心是石英玻璃,包层是专利的高强度聚合物,不仅增加了光 纤的强度,而且防潮防污染,外护套则是2.2mm的聚氯乙烯。HCS光纤可工作于一40℃~+85℃的温度范围内,架设温度范围为一20℃一+85℃,在 性能与价格上均满足系统要求。

  •工作波长的选择:光纤通信系统的设计必须考虑光纤损耗与色散对系统带来的影响,由于损耗和色散都与系统的工作波长有关,因此工作波长的选择成为系统设计的一个主要问题。

  综合考虑系统的指标要求与选定的光纤,选择820nm波长可使HCS光纤损耗低至6dB/km,同时色散也达到最小。

  •光源的选择:在820m波长下,LED是可以选用的最佳光源,与半导体激光器相比,LED的驱动电路简单,且成本低。

  综上所述,光缆选用200μm HCS光纤,光收发器件选用 HP公司820nm波长的HFBR-0400系列。该系列中的HFBR-14X2/HFBR- 24X2可在1500m距离内达到5MBd的速率,工作温度范围为一40℃~+85℃,有ST、SMA、SC和 FC多种端口型号可供选择。HFBR-14XZ采用820nm波长的AlGaAs型LED,HFBR-24XZ内部集成了包括PIN光电检测器、直流放大 器及集电极开路输出Schottky型晶体管的一个IC芯片,其输出可直接与流行的TTL及CMOS集成电路相连。

  4一种实用的光纤LED驱动电路

  光纤双工通信系统其中驱动电路的作用是将电功率转换成光功率,并将要传输的电信号调制到光源的输出上,它对光源同时提供偏置电流和随数字信号而变化的调制电流。

  设计LED驱动电路必须首先考虑驱动LED的电流峰值,如果超过了峰值驱动电流光信号将会产的过冲现象。而由此在接收器引起的电信号的下冲,加上来自放大 器噪声的影响,结果可能会越过比较器的检测门限,造成误码。同时LED有一个熄灭比点亮困难的特点,它会产生拖尾现象,当采用串行驱动电路时这种现象尤其 明显。而并联驱动方式可以为LED中的载流子提供一条低阻通道,从而减少脉宽失真和慢拖尾现象。  驱动电路中的电阻RSI用于调节光纤输出功率,注意不能超过LED的峰值驱动电流,否则光信号会产生过冲现象。另外电路中的SN75451具有低阻抗、高电流速率的特点,避免产生长的拖尾现象。

  脉冲宽度失真(PWD)是限制光纤链路速率的一个主要因素,它是由于输入与输出间传输延迟不相等引起的。注意到PWD总是正值,因此我们可以利用RC电路来延迟LED的点亮。

  光纤接收电路是光纤通信系统的重要组成部分,它的性能好坏是整个光纤通信系统性能的综合反映。它的作用是将光纤传输过来的光信号转变为电信号,再经过放大、均衡、判决电路,恢复出发射端的原始信号。

  在光纤传输线路上,常用光信号的有无来表示“1”码和“0”码,为避免码流中的长连“ 0”或长连“1”,有利于时钟的提取,需要有编码电路。同时阵列信号处理器送来的是并行数据,需要有率并转换电路。

  5 PCB板设计技术

  光纤收发器的性能部分地决定于PCB板的布局和布线技术,因此应该遵守下列的一些基本规则:

  ①设计PCB板时,推荐使用地层以减少电源公共地线的电感。如有可能同时使用一个地层和一个电源层,这将同时减少地和电源引脚上的电感。

  ②在地层和电源层上的分割和开口应最少,这将减少附加的电感并提高发射和接收电路的稳定性。

  ③在驱动电路和LED之间的连线长度应尽量缩短,以减少导线电感。

  ④10μF的钽电解电容和0.1μF的独石陶瓷电容应放置于靠近驱动LED信号的地方,这将减少发射器辐射的噪声并提高LED的光响应时间。

  ⑤0.1μF(或0.01μF)的旁路电容应付于接收器的管脚2与7之间,它与接收器的距离不能超过20mm。

  ⑥接收器是光纤连接线路中最关键的部分,电路中过量的附加电感和电容会降低光纤接收器的带宽和稳定性,减少接收器的灵敏度。因此建议使用表面贴装器件,并不要使用插座。

  经过实际测试,证实此电路完全达到了实用要求,通过缩短通信时间提高了整个系统的性能指标。

关键字:光纤  LED  驱动电路

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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