|
光纤LED驱动电路的设计（张效军、毛俊华）
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。
摘自《无线电通信技术》
|