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安全可靠的光纖LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2012-11-21 責(zé)任編輯:echotang

【導(dǎo)讀】:光纖鏈路既不發(fā)射電磁波,也不受其影響,光纖之間沒有干擾,誤碼率大大降低;提供了通信鏈路雙方之間的電氣隔離,消除了長距離設(shè)備之間由于地電位不同引起的問題。同時(shí)設(shè)計(jì)人員再也不用為阻抗匹配而頭疼了;可采用數(shù)字調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路。

為了減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間在整個(gè)系統(tǒng)處理時(shí)間指標(biāo)中所占的比重,要求數(shù)據(jù)傳輸率應(yīng)不小于E1(2.048Mb/s) 速率,同時(shí)要求通信鏈路安全、可靠。我們通過對(duì)各種數(shù)據(jù)通信技術(shù)的分析,最終選擇了光纖電路,取得了滿意的效果。

1銅介質(zhì)數(shù)據(jù)鏈路分析

由于同時(shí)要求較高的數(shù)據(jù)傳輸率及較長的通信距離,在銅介質(zhì)鏈路中不進(jìn)行編碼和調(diào)制很難滿足指標(biāo)要求,但是高速調(diào)制解調(diào)器不僅價(jià)格昂貴,而且雙方握手過程費(fèi)時(shí),在要求隨機(jī)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的場會(huì)顯然不適用。

最重要的是,傳統(tǒng)的銅介質(zhì)鏈路既產(chǎn)生電磁干擾信號(hào),又容易受電磁干擾的影響,而且不易滿足EMC(電磁兼容)和EMI(電磁干擾)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2光纖鏈路的分析

在人們的傳統(tǒng)印象中,光纖應(yīng)用于短距離通信是不經(jīng)濟(jì)的,但是它有著銅介質(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,光纖之間沒有干 擾,誤碼率大大降低。設(shè)計(jì)人員不用考慮可能耦合進(jìn)來的環(huán)境噪聲;②光纖提供了通信鏈路雙方之間的電氣隔離,消除了長距離設(shè)備之間由于地電位不同引起的問 題。同時(shí)設(shè)計(jì)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(shù)字調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路。數(shù)字基帶信號(hào)只要經(jīng)過簡單的線路編碼,即可直接驅(qū)動(dòng)光纖發(fā)射器。

現(xiàn)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(biāo),選擇合適類型的光纖、收發(fā)器及其驅(qū)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(tǒng)非常簡單:一個(gè)LED發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào),并將之耦會(huì)進(jìn)入傳輸光纖中,光信號(hào)通過光纖到達(dá)光接收器,它把接收到的光信號(hào)恢復(fù)成原來的電信號(hào)輸出。

•光纜的選擇:一般,石英玻璃光纖由于其低損耗、高帶寬而用于長距離通信鏈路,例如,以太網(wǎng)和FDDI標(biāo)準(zhǔn)指定采用多模 62.5/125μm石英玻璃光纖。這些細(xì)纖芯的光纖需要高精度連接器以減少耦合損耗,對(duì)于工業(yè)應(yīng)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波長時(shí)為0.2dB/m,而200μm HCS光纖在650mm波長典型損耗值僅為8dB/km,在820nm波長時(shí)更少。HCS光纖的核心是石英玻璃,包層是專利的高強(qiáng)度聚合物,不僅增加了光 纖的強(qiáng)度,而且防潮防污染,外護(hù)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(nèi),架設(shè)溫度范圍為一20℃一+85℃,在 性能與價(jià)格上均滿足系統(tǒng)要求。

•工作波長的選擇:光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮光纖損耗與色散對(duì)系統(tǒng)帶來的影響,由于損耗和色散都與系統(tǒng)的工作波長有關(guān),因此工作波長的選擇成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問題。

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

•光源的選擇:在820m波長下,LED是可以選用的最佳光源,與半導(dǎo)體激光器相比,LED的驅(qū)動(dòng)電路簡單,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波長的HFBR-0400系列。該系列中的HFBR-14X2/HFBR- 24X2可在1500m距離內(nèi)達(dá)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(hào)可供選擇。HFBR-14XZ采用820nm波長的AlGaAs型LED,HFBR-24XZ內(nèi)部集成了包括PIN光電檢測器、直流放大 器及集電極開路輸出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(qū)動(dòng)電路

光纖雙工通信系統(tǒng)其中驅(qū)動(dòng)電路的作用是將電功率轉(zhuǎn)換成光功率,并將要傳輸?shù)碾娦盘?hào)調(diào)制到光源的輸出上,它對(duì)光源同時(shí)提供偏置電流和隨數(shù)字信號(hào)而變化的調(diào)制電流。

設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路必須首先考慮驅(qū)動(dòng)LED的電流峰值,如果超過了峰值驅(qū)動(dòng)電流光信號(hào)將會(huì)產(chǎn)的過沖現(xiàn)象。而由此在接收器引起的電信號(hào)的下沖,加上來自放大 器噪聲的影響,結(jié)果可能會(huì)越過比較器的檢測門限,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(xiàn)象,當(dāng)采用串行驅(qū)動(dòng)電路時(shí)這種現(xiàn)象尤其 明顯。而并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式可以為LED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(xiàn)象。

驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RSI用于調(diào)節(jié)光纖輸出功率,注意不能超過LED的峰值驅(qū)動(dòng)電流,否則光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生過沖現(xiàn)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)生長的拖尾現(xiàn)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電路來延遲LED的點(diǎn)亮。

光纖接收電路是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分,它的性能好壞是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。它的作用是將光纖傳輸過來的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),再經(jīng)過放大、均衡、判決電路,恢復(fù)出發(fā)射端的原始信號(hào)。

在光纖傳輸線路上,常用光信號(hào)的有無來表示“1”碼和“0”碼,為避免碼流中的長連“ 0”或長連“1”,有利于時(shí)鐘的提取,需要有編碼電路。同時(shí)陣列信號(hào)處理器送來的是并行數(shù)據(jù),需要有率并轉(zhuǎn)換電路。

5 PCB板設(shè)計(jì)技術(shù)

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

①設(shè)計(jì)PCB板時(shí),推薦使用地層以減少電源公共地線的電感。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。

②在地層和電源層上的分割和開口應(yīng)最少,這將減少附加的電感并提高發(fā)射和接收電路的穩(wěn)定性。

③在驅(qū)動(dòng)電路和LED之間的連線長度應(yīng)盡量縮短,以減少導(dǎo)線電感。

④10μF的鉭電解電容和0.1μF的獨(dú)石陶瓷電容應(yīng)放置于靠近驅(qū)動(dòng)LED信號(hào)的地方,這將減少發(fā)射器輻射的噪聲并提高LED的光響應(yīng)時(shí)間。

⑤0.1μF(或0.01μF)的旁路電容應(yīng)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20mm。

⑥接收器是光纖連接線路中最關(guān)鍵的部分,電路中過量的附加電感和電容會(huì)降低光纖接收器的帶寬和穩(wěn)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)過實(shí)際測試,證實(shí)此電路完全達(dá)到了實(shí)用要求,通過縮短通信時(shí)間提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

 


 

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