光纖LED驅動(dòng)電路的設計原理介紹

為了減少數據傳輸時(shí)間在整個(gè)系統處理時(shí)間指標中所占的比重，要求數據傳輸率應不小于E1(2.048Mb/s) 速率，同時(shí)要求通信鏈路安全、可靠。我們通過(guò)對各種數據通信技術(shù)的分析，最終選擇了光纖鍵路，取得了滿(mǎn)意的效果。

　　1銅介質(zhì)數據鏈路分析

　　由于同時(shí)要求較高的數據傳輸率及較長(cháng)的通信距離，在銅介質(zhì)鏈路中不進(jìn)行編碼和調制很難滿(mǎn)足指標要求，但是高速調制解調器不僅價(jià)格昂貴，而且雙方握手過(guò)程費時(shí)，在要求隨機實(shí)時(shí)傳輸數據的場(chǎng)會(huì )顯然不適用。

　　最重要的是，傳統的銅介質(zhì)鏈路既產(chǎn)生電磁干擾信號，又容易受電磁干擾的影響，而且不易滿(mǎn)足EMC(電磁兼容)和EMI(電磁干擾)標準的要求。

　　2光纖鏈路的分析

　　在人們的傳統印象中，光纖應用于短距離通信是不經(jīng)濟的，但是它有著(zhù)銅介質(zhì)鍵路不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：①光纖鏈路既不發(fā)射電磁波，也不受其影響，光纖之間沒(méi)有干 擾，誤碼率大大降低。設計人員不用考慮可能耦合進(jìn)來(lái)的環(huán)境噪聲;②光纖提供了通信鏈路雙方之間的電氣隔離，消除了長(cháng)距離設備之間由于地電位不同引起的問(wèn) 題。同時(shí)設計人員再也不用為阻抗匹配而頭疼了;③光纖發(fā)射器可采用數字調制驅動(dòng)電路。數字基帶信號只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)路編碼，即可直接驅動(dòng)光纖發(fā)射器。

　　現在，光纖器件價(jià)格與以前相比已經(jīng)大幅下降，而今后隨著(zhù)鋼纜價(jià)格的上升及光纖器件價(jià)格的進(jìn)一步下降，人 們選擇光纖時(shí)將不再首先考慮價(jià)格因素。因此，我們綜合考慮速率與距離指標，選擇合適類(lèi)型的光纖、收發(fā)器及其驅動(dòng)電路，可以獲得高性能價(jià)格比的光纖通信鍵 路，這正是本文要討論的重點(diǎn)。

　　3光纖通信器件的選擇

　　一個(gè)基本的光纖通信系統非常簡(jiǎn)單：一個(gè)LED發(fā)射器將電信號轉變成光信號，并將之耦會(huì )進(jìn)入傳輸光纖中，光信號通過(guò)光纖到達光接收器，它把接收到的光信號恢復成原來(lái)的電信號輸出。

　　•光纜的選擇：一般，石英玻璃光纖由于其低損耗、高帶寬而用于長(cháng)距離通信鏈路，例如，以太網(wǎng)和FDDI標準指定采用多模 62.5/125μm石英玻璃光纖。這些細纖芯的光纖需要高精度連接器以減少耦合損耗，對于工業(yè)應用，需要低成本的光纜和連接器。因此，1mm的 POF(Plymer Optical Fibers)和200μm的HCS(Hard Clad Silica)光纖是最好選擇，它們均屬于階躍折射率的多模光纖。

　　1mm POF的典型損耗值在650nm波長(cháng)時(shí)為0.2dB/m，而200μm HCS光纖在650mm波長(cháng)典型損耗值僅為8dB/km，在820nm波長(cháng)時(shí)更少。HCS光纖的核心是石英玻璃，包層是專(zhuān)利的高強度聚合物，不僅增加了光 纖的強度，而且防潮防污染，外護套則是2.2mm的聚氯乙烯。HCS光纖可工作于一40℃～+85℃的溫度范圍內，架設溫度范圍為一20℃一+85℃，在 性能與價(jià)格上均滿(mǎn)足系統要求。

　　•工作波長(cháng)的選擇：光纖通信系統的設計必須考慮光纖損耗與色散對系統帶來(lái)的影響，由于損耗和色散都與系統的工作波長(cháng)有關(guān)，因此工作波長(cháng)的選擇成為系統設計的一個(gè)主要問(wèn)題。

　　綜合考慮系統的指標要求與選定的光纖，選擇820nm波長(cháng)可使HCS光纖損耗低至6dB/km，同時(shí)色散也達到最小。

　　•光源的選擇：在820m波長(cháng)下，LED是可以選用的最佳光源，與半導體激光器相比，LED的驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，且成本低。

　　綜上所述，光纜選用200μm HCS光纖，光收發(fā)器件選用 HP公司820nm波長(cháng)的HFBR-0400系列。該系列中的HFBR-14X2/HFBR- 24X2可在1500m距離內達到5MBd的速率，工作溫度范圍為一40℃～+85℃，有ST、SMA、SC和 FC多種端口型號可供選擇。HFBR-14XZ采用820nm波長(cháng)的AlGaAs型LED，HFBR-24XZ內部集成了包括PIN光電檢測器、直流放大 器及集電極開(kāi)路輸出Schottky型晶體管的一個(gè)IC芯片，其輸出可直接與流行的TTL及CMOS集成電路相連。

　　4一種實(shí)用的光纖LED驅動(dòng)電路

　　光纖雙工通信系統其中驅動(dòng)電路的作用是將電功率轉換成光功率，并將要傳輸的電信號調制到光源的輸出上，它對光源同時(shí)提供偏置電流和隨數字信號而變化的調制電流。

　　設計LED驅動(dòng)電路必須首先考慮驅動(dòng)LED的電流峰值，如果超過(guò)了峰值驅動(dòng)電流光信號將會(huì )產(chǎn)的過(guò)沖現象。而由此在接收器引起的電信號的下沖，加上來(lái)自放大 器噪聲的影響，結果可能會(huì )越過(guò)比較器的檢測門(mén)限，造成誤碼。同時(shí)LED有一個(gè)熄滅比點(diǎn)亮困難的特點(diǎn)，它會(huì )產(chǎn)生拖尾現象，當采用串行驅動(dòng)電路時(shí)這種現象尤其 明顯。而并聯(lián)驅動(dòng)方式可以為L(cháng)ED中的載流子提供一條低阻通道，從而減少脈寬失真和慢拖尾現象。

　　驅動(dòng)電路中的電阻RSI用于調節光纖輸出功率，注意不能超過(guò)LED的峰值驅動(dòng)電流，否則光信號會(huì )產(chǎn)生過(guò)沖現象。另外電路中的SN75451具有低阻抗、高電流速率的特點(diǎn)，避免產(chǎn)生長(cháng)的拖尾現象。

　　脈沖寬度失真(PWD)是限制光纖鏈路速率的一個(gè)主要因素，它是由于輸入與輸出間傳輸延遲不相等引起的。注意到PWD總是正值，因此我們可以利用RC電路來(lái)延遲LED的點(diǎn)亮。

　　光纖接收電路是光纖通信系統的重要組成部分，它的性能好壞是整個(gè)光纖通信系統性能的綜合反映。它的作用是將光纖傳輸過(guò)來(lái)的光信號轉變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過(guò)放大、均衡、判決電路，恢復出發(fā)射端的原始信號。

　　在光纖傳輸線(xiàn)路上，常用光信號的有無(wú)來(lái)表示“1”碼和“0”碼，為避免碼流中的長(cháng)連“ 0”或長(cháng)連“1”，有利于時(shí)鐘的提取，需要有編碼電路。同時(shí)陣列信號處理器送來(lái)的是并行數據，需要有率并轉換電路。

　　5 PCB板設計技術(shù)

　　光纖收發(fā)器的性能部分地決定于PCB板的布局和布線(xiàn)技術(shù)，因此應該遵守下列的一些基本規則：

　?、僭O計PCB板時(shí)，推薦使用地層以減少電源公共地線(xiàn)的電感。如有可能同時(shí)使用一個(gè)地層和一個(gè)電源層，這將同時(shí)減少地和電源引腳上的電感。

　?、谠诘貙雍碗娫磳由系姆指詈烷_(kāi)口應最少，這將減少附加的電感并提高發(fā)射和接收電路的穩定性。

　?、墼隍寗?dòng)電路和LED之間的連線(xiàn)長(cháng)度應盡量縮短，以減少導線(xiàn)電感。

　?、?0μF的鉭電解電容和0.1μF的獨石陶瓷電容應放置于靠近驅動(dòng)LED信號的地方，這將減少發(fā)射器輻射的噪聲并提高LED的光響應時(shí)間。

　?、?.1μF(或0.01μF)的旁路電容應付于接收器的管腳2與7之間，它與接收器的距離不能超過(guò)20mm。

　?、藿邮掌魇枪饫w連接線(xiàn)路中最關(guān)鍵的部分，電路中過(guò)量的附加電感和電容會(huì )降低光纖接收器的帶寬和穩定性，減少接收器的靈敏度。因此建議使用表面貼裝器件，并不要使用插座。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，證實(shí)此電路完全達到了實(shí)用要求，通過(guò)縮短通信時(shí)間提高了整個(gè)系統的性能指標。