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可見(jiàn)光通信低成本前置接收電路設計論文
介紹一種由兩級放大器組成的高性?xún)r(jià)比可見(jiàn)光通信前置放大電路。分別使用電壓反饋型運放組成PIN光電二極管電流-電壓轉換器、使用電流反饋型運放組成電壓增益放大器。討論了相關(guān)設計要點(diǎn)并給出了計算公式和具體設計方法。
在可見(jiàn)光通信系統中，光信號接收前置放大電路是一個(gè)重要的組成部分。低噪聲、寬頻帶和足夠的增益是對該部分電路的基本要求。具有較佳技術(shù)性能的光電接收前置放大電路往往使用了價(jià)格高昂的器件，使其成本過(guò)高，對可見(jiàn)光通信技術(shù)的市場(chǎng)應用產(chǎn)生了不利影響。
1 技術(shù)方案
1.1 設計要求
在保證高速、高增益的同時(shí)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足以熒光型LED作為信號發(fā)射源、直接數字強度調制的可見(jiàn)光通信系統光電轉換前置放大電路的需求。
1.2 技術(shù)參數確定
頻率響應。-3dB高頻響應為2MHz-10MHz。
靈敏度�？梢�(jiàn)光通信系統中，LED光源同時(shí)兼具照明和可見(jiàn)光通信信號發(fā)送的雙重作用。日常生活、工作中，對室內參考平面上光照度的最低要求一般為100lx。為留有一定裕量，以照度值50lx作為可見(jiàn)光通信系統正常工作的閾值�？紤]到后續電路的要求，擬定前置放大電路此時(shí)的輸出電壓應不小于 0.5Vpp(0.177Vrms)。
供電電源形式。采用+5V單電源供電以降低供電電源的復雜性。
1.3 實(shí)現方案
光電接收器采用PIN光電二極管，具有電路結構簡(jiǎn)單和成本低廉的特點(diǎn)。放大電路由光電轉換跨阻放大器和電流反饋型高速放大器組成。電路如圖1所示。
2 第一級放大電路和PIN光電二極管
PIN光電二極管D1、電阻R3和電壓反饋型運放U1等組成電流-電壓轉換器即跨阻放大器。
忽略光電管漏電流影響，放大器輸出電壓為：
(1)
其中Ip為PIN管光電轉換產(chǎn)生的信號電流。
電壓反饋型放大器組成的跨阻放大器與單純電壓反饋型放大器相比，具有更好的的頻率響應。其高頻截止頻率為：
(2)
其中GBP為U1的增益帶寬積，Ci為光電二極管結電容C0和U1的輸入電容之和。
C2為跨阻放大器的相位補償電容，可由下式求出：
(3)
因R3和PCB存在寄生電容，故C2的最終取值應通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行調整。
U1選用低成本、高性能電壓反饋型放大器AD8057，具有高速、低噪聲、低失真和低功耗的特點(diǎn)。其輸入電容為2pF、5V單電源供電時(shí)GBP為300MHz。
分壓電阻選R1=R2，則=+2.5V。光電二極管D1工作于反偏工作狀態(tài)，有利于減少結電容從而提高頻率響應。
PIN光電二極管的選取應從高速響應特性、光譜接收特性等方面考慮。這里選用OSRAM公司的BPW34。其上升、下降沿時(shí)間為20ns。對于400nm-760nm的可見(jiàn)光波長(cháng)，相對光譜靈敏度>10%。
由BPW34數據規格表中的電容特性曲線(xiàn)可求出當VR=2.5V時(shí)，電容C0=28pF。通過(guò)實(shí)驗可測得當所采用的LED光源光照度為50lx時(shí)IP=0.23μA(VR=2.5V)。
3 第二級放大電路
由電流反饋型運放U2組成。電流反饋型運放較電壓反饋型運放相比，帶寬隨增益變化較小，高增益時(shí)仍能保持高帶寬。
本級電壓增益為：
(4)
U2選用低成本、高速、高性能電流反饋型放大器ADA4860-1，具有優(yōu)良的綜合性能。
根據ADA4860-1數據手冊的推薦和實(shí)驗驗證，可按表1選取電阻值。
4 電路總頻響和輸出電壓
高頻響應：
(5)
輸出電壓：
(6)
5 設計實(shí)例和測試
取f1=5MHZ，由公式(1)(2)(3)可計算出第一級放大器的R3=63.7kΩ、C2=0.11pF、50lx調制光照下的輸出電壓U01=15mVrms。
根據靈敏度設計要求，由公式(6)可求出A2應大于177/15=11.8。取A2=20，則U02=300mVrms。由表1可得R5=348Ω，R4=18.2Ω，f2=70MHz。
由公式(5)可計算出電路頻響fH=4.5MHz。
按上述相關(guān)計算值選取元件，實(shí)測電路-3dB高頻響應頻率為3.8MHz。當信號頻率為1MHz、LED光源光照度為50lx時(shí)，實(shí)測電路輸出電壓為310Vrms。電路工作總電流實(shí)測為10mA。
由于R3和PCB寄生電容降低了第一級放大器頻響，電路頻響的計算值和實(shí)測值存在一定誤差。在設計時(shí)頻響的取值應留有余量。改變U1、U2頻響和增益的設計組合參數，選取相應的元件值，電路頻響可達10MHz。
6 結語(yǔ)
設計的電路分別采用兩種不同類(lèi)型的放大器，充分發(fā)揮了各自的特點(diǎn)。在保證高速、高增益、低噪聲的同時(shí)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)電路已申請專(zhuān)利，目前已應用于基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的計量?jì)x器數據無(wú)線(xiàn)采集系統。
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