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可見光通信低成本前置接收電路設(shè)計論文
介紹一種由兩級放大器組成的高性價比可見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(zhuǎn)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(shè)計要點并給出了計算公式和具體設(shè)計方法。
在可見光通信系統(tǒng)中，光信號接收前置放大電路是一個重要的組成部分。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格高昂的器件，使其成本過高，對可見光通信技術(shù)的市場應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。
1 技術(shù)方案
1.1 設(shè)計要求
在保證高速、高增益的同時具有低成本的優(yōu)點，滿足以熒光型LED作為信號發(fā)射源、直接數(shù)字強度調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換前置放大電路的需求。
1.2 技術(shù)參數(shù)確定
頻率響應(yīng)。-3dB高頻響應(yīng)為2MHz-10MHz。
靈敏度�？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)中，LED光源同時兼具照明和可見光通信信號發(fā)送的雙重作用。日常生活、工作中，對室內(nèi)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作為可見光通信系統(tǒng)正常工作的閾值。考慮到后續(xù)電路的要求，擬定前置放大電路此時的輸出電壓應(yīng)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(fù)雜性。
1.3 實現(xiàn)方案
光電接收器采用PIN光電二極管，具有電路結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉的特點。放大電路由光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)。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(jié)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(yīng)通過實驗進行調(diào)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。其輸入電容為2pF、5V單電源供電時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(jié)電容從而提高頻率響應(yīng)。
PIN光電二極管的選取應(yīng)從高速響應(yīng)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、下降沿時間為20ns。對于400nm-760nm的可見光波長，相對光譜靈敏度>10%。
由BPW34數(shù)據(jù)規(guī)格表中的電容特性曲線可求出當(dāng)VR=2.5V時，電容C0=28pF。通過實驗可測得當(dāng)所采用的LED光源光照度為50lx時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(jù)ADA4860-1數(shù)據(jù)手冊的推薦和實驗驗證，可按表1選取電阻值。
4 電路總頻響和輸出電壓
高頻響應(yīng)：
(5)
輸出電壓：
(6)
5 設(shè)計實例和測試
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(diào)制光照下的輸出電壓U01=15mVrms。
根據(jù)靈敏度設(shè)計要求，由公式(6)可求出A2應(yīng)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，實測電路-3dB高頻響應(yīng)頻率為3.8MHz。當(dāng)信號頻率為1MHz、LED光源光照度為50lx時，實測電路輸出電壓為310Vrms。電路工作總電流實測為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測值存在一定誤差。在設(shè)計時頻響的取值應(yīng)留有余量。改變U1、U2頻響和增益的設(shè)計組合參數(shù)，選取相應(yīng)的元件值，電路頻響可達10MHz。
6 結(jié)語
設(shè)計的電路分別采用兩種不同類型的放大器，充分發(fā)揮了各自的特點。在保證高速、高增益、低噪聲的同時具有低成本的優(yōu)點。相關(guān)電路已申請專利，目前已應(yīng)用于基于可見光通信技術(shù)的計量儀器數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)。
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