實用性光纖LED驅動電路的設計及原理

我們在研制一個陣列信號處理系統(tǒng)中，由于陣列天線必須放置于四周開闊地帶，而陣列信號處理單元位于圓形陳列天線中央位置，這就需要在陣列信號處理單元與位 于1～2km以外的微機之間進行雙工通信。為了減少數(shù)據(jù)傳輸時間在整個系統(tǒng)處理時間指標中所占的比重，要求數(shù)據(jù)傳輸率應不小于E1（2.048Mb／s） 速率，同時要求通信鏈路安全、可靠。我們通過對各種數(shù)據(jù)通信技術的分析，最終選擇了光纖鍵路，取得了滿意的效果。

1銅介質數(shù)據(jù)鏈路分析

由于同時要求較高的數(shù)據(jù)傳輸率及較長的通信距離，在銅介質鏈路中不進行編碼和調制很難滿足指標要求，但是高速調制解調器不僅價格昂貴，而且雙方握手過程費時，在要求隨機實時傳輸數(shù)據(jù)的場會顯然不適用。

最重要的是，傳統(tǒng)的銅介質鏈路既產生電磁干擾信號，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）標準的要求。

2光纖鏈路的分析

在人們的傳統(tǒng)印象中，光纖應用于短距離通信是不經濟的，但是它有著銅介質鍵路不可比擬的優(yōu)點：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。設計人員不用考慮可能耦合進來的環(huán)境噪聲；②光纖提供了通信鏈路雙方之間的電氣隔離，消除了長距離設備之間由于地電位不同引起的問 題。同時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(shù)字調制驅動電路。數(shù)字基帶信號只要經過簡單的線路編碼，即可直接驅動光纖發(fā)射器。

現(xiàn)在，光纖器件價格與以前相比已經大幅下降，而今后隨著鋼纜價格的上升及光纖器件價格的進一步下降，人 們選擇光纖時將不再首先考慮價格因素。因此，我們綜合考慮速率與距離指標，選擇合適類型的光纖、收發(fā)器及其驅動電路，可以獲得高性能價格比的光纖通信鍵 路，這正是本文要討論的重點。

3光纖通信器件的選擇

一個基本的光纖通信系統(tǒng)非常簡單：一個LED發(fā)射器將電信號轉變成光信號，并將之耦會進入傳輸光纖中，光信號通過光纖到達光接收器，它把接收到的光信號恢復成原來的電信號輸出。

?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波長時為0.2dB／m，而200μm HCS光纖在650mm波長典型損耗值僅為8dB／km，在820nm波長時更少。HCS光纖的核心是石英玻璃，包層是專利的高強度聚合物，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)的設計必須考慮光纖損耗與色散對系統(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，因此工作波長的選擇成為系統(tǒng)設計的一個主要問題。

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

?光源的選擇：在820m波長下，LED是可以選用的最佳光源，與半導體激光器相比，LED的驅動電路簡單，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 器及集電極開路輸出Schottky型晶體管的一個IC芯片，其輸出可直接與流行的TTL及CMOS集成電路相連。

4一種實用的光纖LED驅動電路

光纖雙工通信系統(tǒng)其中驅動電路的作用是將電功率轉換成光功率，并將要傳輸?shù)碾娦盘栒{制到光源的輸出上，它對光源同時提供偏置電流和隨數(shù)字信號而變化的調制電流。

設計LED驅動電路必須首先考慮驅動LED的電流峰值，如果超過了峰值驅動電流光信號將會產的過沖現(xiàn)象。而由此在接收器引起的電信號的下沖，加上來自放大 器噪聲的影響，結果可能會越過比較器的檢測門限，造成誤碼。同時LED有一個熄滅比點亮困難的特點，它會產生拖尾現(xiàn)象，當采用串行驅動電路時這種現(xiàn)象尤其 明顯。而并聯(lián)驅動方式可以為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。

驅動電路中的電阻RSI用于調節(jié)光纖輸出功率，注意不能超過LED的峰值驅動電流，否則光信號會產生過沖現(xiàn)象。另外電路中的SN75451具有低阻抗、高電流速率的特點，避免產生長的拖尾現(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轉變?yōu)殡娦盘枺俳涍^放大、均衡、判決電路，恢復出發(fā)射端的原始信號。

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

5 PCB板設計技術

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，因此應該遵守下列的一些基本規(guī)則：

①設計PCB板時，推薦使用地層以減少電源公共地線的電感。如有可能同時使用一個地層和一個電源層，這將同時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在驅動電路和LED之間的連線長度應盡量縮短，以減少導線電感。

④10μF的鉭電解電容和0.1μF的獨石陶瓷電容應放置于靠近驅動LED信號的地方，這將減少發(fā)射器輻射的噪聲并提高LED的光響應時間。

⑤0.1μF（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20mm。

⑥接收器是光纖連接線路中最關鍵的部分，電路中過量的附加電感和電容會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。

經過實際測試，證實此電路完全達到了實用要求，通過縮短通信時間提高了整個系統(tǒng)的性能指標。