光纤LED驱动电路的设计

光纤LED驱动电路的设计

摘要 光纤作为一种数据传输媒介，由于其相对于铜介质链路的固有优点，在许多技术领域得到广泛的应用。本文为得到一个高性能价格比的用于点对点双工通信的光纤解决方案，在重点分析LED驱动电路对光纤通信性能影响的基础上，给出了一个简洁实用的LED驱动电路。

关键词 光纤 LED 驱动电路

我们在研制一个阵列信号处理系统中，由于阵列天线必须放置于四周开阔地带，而阵列信号处理单元位于圆形陈列天线中央位置，这就需要在阵列信号处理单元与位于1～2km以外的微机之间进行双工通信。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。

来源：《无线电通信技术》/作者：张效军、毛俊华