《可見光通信發(fā)端電路設(shè)計》設(shè)計論文

《可見光通信發(fā)端電路設(shè)計》設(shè)計論文作者:日期:鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院畢業(yè)論文2013屆自動化專業(yè)班級題目 可見光通信收端電路設(shè)計姓名王寶學(xué)號0指導(dǎo)教師 陳建明職稱教授。一三年五月二十二日內(nèi)容提要隨著科技的飛速發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，人們對信息的需求也是不斷增加。從而使更方便、更快捷的無線通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)有的無線技術(shù)中，除了基于電磁波傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)射頻通信，還有基于可見光的無線通信。可見光通信技術(shù)是基于led照明光源的無線光通信技術(shù)，可在有嚴(yán)格限制電磁干擾的場合替代射頻通信，比如機場、醫(yī)院等，因此應(yīng)用前景廣闊?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)己成為無線通信領(lǐng)域的研究的一個熱點，結(jié)合 led照明技術(shù)和光通信技術(shù)，同時具備了抗電磁干擾、無需無線電頻譜認(rèn)證、安全可靠等優(yōu)點。論文首先介紹了可見光通信技術(shù)的背景；還對可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，尤其是在接收方面：分析了 PIN探測器的工作原理和特性，從而選擇出了性能高的光電探測器；研究了前置放大器，并設(shè)計出了采用跨阻抗前置放大電路，從而實現(xiàn)了高增益、低噪聲的第一級放大。論文主要對可見光通信技術(shù)的光接收電路進(jìn)行了研究和設(shè)計，實現(xiàn)信號的光/電轉(zhuǎn)換和放大功能，最后，對影響系統(tǒng)性能因素進(jìn)行了分析，并且針對性的優(yōu)化系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞以太網(wǎng)；可見光通信；光發(fā)射；LED光接收；光電轉(zhuǎn)換Visiblelightcommunicationreceiving-endcircuitsdesignAuthor：WangBao Instructor:ChenJianmingAbstractWiththerapiddevelopmentoftechnologyandsocialprogress,people'sdemandforinformationisincreasing.Makingiteasierandmoreefficientwirelesscommunicationtechnologyhasbeenwidelyapplied.Inexistingwirelesstechnologies,inadditionbasedonelectromagnetictransmissiontraditionalradiocommunications,aswellasbasedonthevisiblelightwirelesscommunication.Visiblelightcommunicationtechnology,LED-basedlightingwirelessopticalcommunicationtechnologyinastrictlylimitedelectromagneticinterfereneeoccasionsalternativeradiocommunications,suchasairports,hospitals,etc.,sotheapplicationprospect.Visiblelightcommunicationtechnologyfieldofwirelesscommunicationhasbecomeahotresearch,combinedwithLEDlightingtechnologyandopticalcommunicationtechnology,alongwiththeanti-electromagneticinterferenee,noradiofrequencyspectrumcertification,safeandreliable.Paperfirstintroducesthebackgroundvisiblelightcommunicationtechnology;alsovisiblecommunicationkeytechnologyresearch,especiallyinthereceivingareas:analysisoftheworkingprincipleandPINdetectorcharacteristics,therebyselectingahighperformaneephotodetectors;researchapreamplifier,anddesignatrans-impedaneepreamplifiercircuitusedtoachievehighgain,lownoisefirststageamplifier.Thesis,thevisiblelightcommunicationtechnologyresearchandreceivingcircuitdesign,andthesignalisoptical/electricalconversionandamplification,finally,thefactorsaffectingsystemperformaneeanalyzedandtargetedtooptimizesystemperformanee.KeywordsEthernet;visiblelightcommunication;opticaltransmitter;LED;opticalreceiver;photoelectricconversionTOC\o"1-5"\h\z第1章緒論 11.1研究背景 11.2課題提出和研究意義 11.3本論文研究內(nèi)容 4第2章光電探測器及光接收機的研究 42.1光電探測器的工作原理及特性 5PIN探測器的工作原理 5PIN探測器的工作特性 62.2光接收機設(shè)計 82.2.1前置放大器 92.3光接收機的誤碼率及靈敏度 12第3章電路設(shè)計 153.1光發(fā)射機電路設(shè)計 153.2光接收機模塊 173.2.1前置放大電路設(shè)計 173.2.2主放大電路設(shè)計 183.3光接收模塊原理圖 21第4章總結(jié)與展望 224.1全文總結(jié) 22致謝 23參考文獻(xiàn)： 24第1章緒論1.1研究背景人們在生活和工作中，常常需要把一些信息從一個地方傳到另一個地方，這種信息的傳遞與交換就是通信。通信使人們之間的交流，資源的分享得以加速，在社會生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，是人類社會文明得以蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)。在日新月異的當(dāng)今社會，人們對于數(shù)據(jù)傳輸有了更高的要求一一更方便，更高速，更環(huán)保?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)的誕生，以其對人體無害、高速率、無需無線電頻譜申請等的獨特優(yōu)勢贏得了人們的青睞。在電磁波譜上，人的眼睛感覺到其中一段波段的光就稱為可見光， 其波長的范圍在380-780納米之間?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)(VLC,VisibleLightCommunication)是以使用可見光LED照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，主要用于短途高速通信。它結(jié)合了射頻通信系統(tǒng)的優(yōu)點，而且在同一個系統(tǒng)上實現(xiàn)了照明和通信功能。1.2課題提出和研究意義射頻通信、無線激光通信(FSO)和可見光通信是目前正在使用或正處于學(xué)術(shù)研究前沿的無線通信技術(shù)。射頻通信廣泛用于生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，是目前技術(shù)最成熟的無線通信，很大程度上改變了人們的生產(chǎn)和生活習(xí)慣。相信在未來的無線通信發(fā)展中，射頻通信扔將繼續(xù)起著重要作用。與射頻通信相比，基于LED的可見光通信具有保密性強、對人體無害、無電磁干擾等優(yōu)點，具體見表1-1

屬性射頻通信可見光通信保密性能穿墻用窗簾即可阻止信號外泄：防竊聽使用頻譜淄毛士t圭需要申請無需申請可用帶寬用］尸多時影響速度不受用戶數(shù)量影響發(fā)射功率受限，影響通信距離通常情/~1/況下無需限制 ru m甲\i/ 干擾因素同頻干擾習(xí)匕曰?、【/?"d景光多任衰落時「延、相位變化干擾表現(xiàn)為背景光路徑冗余多個接入點APLED陣列光源傳輸速率100Mbps1幾白Mbps無線激光通信技術(shù)（FSO）是基于激光的為基礎(chǔ)，其工作原理和可見光通信技術(shù)相似，是通過把電信號調(diào)制到激光上傳輸?shù)竭h(yuǎn)方。無線激光通信技術(shù)是一種遠(yuǎn)距離點對點的通信技術(shù)，也是近幾年的研究熱點，基本組成部分為光發(fā)射器和光接收器，工作過程為：通過調(diào)制把信息加載到激光上，經(jīng)大氣的傳輸，再通過望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)遠(yuǎn)端的接收機，然后通過接收機的光電轉(zhuǎn)換還原成電信號。與FSO相比，可見光通信具有的優(yōu)勢如表1-2所示。表1-2可見光通信的優(yōu)勢屬性FSO可見光通信光源激光，價格高LED便宜，功耗小，壽命長對準(zhǔn)需要望遠(yuǎn)鏡，對準(zhǔn)難 1 —1 光源覆蓋范圍大，對準(zhǔn)很容易組網(wǎng)方式點對點點對點、網(wǎng)絡(luò)都可對人體安全性皮膚特別是眼睛容易受到傷害無傷害安裝空曠，無阻擋處，般在樓頂無處不在基于LED的可見光通信技術(shù)，主要優(yōu)勢總結(jié)如下：無需無線電頻譜認(rèn)證。射頻通信發(fā)展到今天，可用的無線電頻譜資源越來越少了?？梢姽馔ㄐ爬玫氖强梢姽獠ǘ?，無需頻譜申請，因此擁有極大的應(yīng)用前景。無電磁輻射。采用LED發(fā)出的可見光進(jìn)行通信不會發(fā)射電磁輻射，對人體不存在傷害。這使得可見光通信技術(shù)可以應(yīng)用在對電磁輻射要求苛刻的場合。安全性能好。射頻通信的方式的一個無線接入點 AP的傳輸距離一般可到達(dá)100米，可以穿透墻壁。在別處通過破解無線接入密鑰就能夠窺視你的信息。而可見光通信則只要拉上窗簾就能夠控制好你的通信領(lǐng)域，具有良好的安全性能。系統(tǒng)搭建便捷、成本低。只要有LED照明系統(tǒng)的場所，無需在原有照明系統(tǒng)上重新布線就可搭建可見光通信系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)有資源，節(jié)約了搭建成本，可以說是同時實現(xiàn)了照明和通信兩大功能。夠構(gòu)建接入網(wǎng)絡(luò)。1.3本論文研究內(nèi)容本論文的研究內(nèi)容具體安排如下：第1章：緒論。介紹了可見光通信的研究背景、課題提出和研究意義。在這一章中通過與射頻通信和激光通信作比較，總結(jié)出可見光通信的優(yōu)勢。第2章：光電探測器的研究。光電探測器是光接收機的第一級工作部件，是可見光通信系統(tǒng)實現(xiàn)光信號到電信號轉(zhuǎn)換的功能器件，也是光 /電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，在本章中對PIN光電探測器進(jìn)行了分析，對PIN光電探測器的工作原理和工作特性進(jìn)行了研究。研究了前置放大器，并分析了光接收機的誤碼率及靈敏度。第3章：電路設(shè)計。主要對前置放大電路、主放大電路、驅(qū)動調(diào)制電路設(shè)計。對LED無線光通信接收模塊進(jìn)行研究并。光發(fā)射模塊和光接收模塊是可見光通信技術(shù)的核心，在本章中只對這光接收模塊的電路進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)光接收功能。第4章:全文總結(jié)和展望。對課題的總結(jié)，并對可見光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。第2章光電探測器及光接收機的研究在可見光通信系統(tǒng)中，經(jīng)過光發(fā)射機調(diào)制的光信號，經(jīng)由空間傳播后到達(dá)光接收機。在這過程中光信號己經(jīng)衰減得十分微弱，光接收機需要從這微弱的光信號中檢測到傳送的信息，再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過放大后供終端用戶使用。光電探測器的功能是完成光強度變換的檢測，完成光/電轉(zhuǎn)換。光電探測器是光接收機的關(guān)鍵，決定著光接收機的靈敏度。因此，很有必要研究光電探測器的原理和特性。2.1光電探測器的工作原理及特性目前使用廣泛的光電探測器主要有兩種，一是雪崩二極管（APD管），一是光電二極管（PIN管）。APD管的工作電壓高，還容易受溫度影響。所以，本設(shè)計采用的是PIN光電二極管。2.1.1PIN探測器的工作原理PIN光電二極管的原理和特性，如PN結(jié)光電二極管。PN結(jié)的能帶分布如圖2-1所示，在沒加電壓的情況下，處于平衡狀態(tài)，對外不表現(xiàn)電流和電壓特性。當(dāng)在光電二極管的PN結(jié)加上正向電壓后，如圖2-2所示，外加電場和PN結(jié)內(nèi)的電場同向，加強了勢壘。光信號到電信號的轉(zhuǎn)變過程是：光子入射到 PN結(jié)上后，被處于價帶的電子所吸收。電子吸收了光子的能量后，當(dāng)擁有擺脫原子核的束縛的能量，就會躍遷到導(dǎo)帶。電子的躍遷，就會產(chǎn)生一個空穴。電子、空穴在電場的作用下，分別向N區(qū)和P區(qū)移動，就形成了電流。

1刑邨楓一66右3日0&&?S&0000◎b0◎0S?fei)允y-t\f1刑邨楓一66右3日0&&?S&0000◎b0◎0S?fei)允y-t\fr區(qū)區(qū)銃一廿二朋ftO-圖2-1PN結(jié)示意圖圖2-2光電二極管工作原理而事實上，在入射光產(chǎn)生電流的過程中，也存在自由電子和空穴復(fù)合湮滅的現(xiàn)象。為延長空穴一電子對存在的壽命，可以采用在 PN結(jié)之間增加一個I層的方法，從而改變PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，在耗盡層保留盡可能多的空穴-電子對，而獲得較大的電流。PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，I層為輕摻雜N型半導(dǎo)體，I層很厚，是產(chǎn)生電子-空穴對的區(qū)域，這個區(qū)域變大會使得電子-空穴對數(shù)量增多，提高了轉(zhuǎn)換的效率。圖2-3PIN圖2-3PIN光電極管結(jié)構(gòu)PIN探測器的工作特性光電二極管的性能常用光電轉(zhuǎn)換效率、暗電流和響應(yīng)速度來描述。光電轉(zhuǎn)換效率。光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率常用響應(yīng)度來或量子效率衡量。響應(yīng)度是在一定波長光的照射下，光電探測器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比，表示單位光功率轉(zhuǎn)換成電流的數(shù)值。 如2-1所示：R=八(A/W) (2-1)Gil1?為光電探測器的平均輸出電流；一1為入射到光電二極管上的平均光功率。暗電流。發(fā)光二極管的暗電流是指器件在反偏狀態(tài)下，在無光照射時輸出的反向直流電流［。暗電流是器件噪聲的主要來源之一。暗電流產(chǎn)生的噪聲電流均方值可表示為：i2dn=2e0.Id.B (2-2)它與反偏電流—成正比，因此總希望它的數(shù)值較小。既然一是器件處于反偏下的電流，因此其量級較小，一般為nA量級。由于該噪聲源處于接收系統(tǒng)的前端，對系統(tǒng)靈敏度的影響是不能忽視的。響應(yīng)時間。它表示器件對高速調(diào)制光信號的反應(yīng)能力。對脈沖調(diào)制的光信號的響應(yīng)速度，常以電流脈沖上升時間(10%上升到90%勺時間)和下降時間(90%上升到10%的時間)表示。光電二極管的響應(yīng)速度主要受載流子在耗盡區(qū)中的渡越時間 RC數(shù)值的影響。為減小渡越時間，要求I層薄；為減小時間常數(shù)RC以及電路時間常數(shù)，要求器件的結(jié)電容小，而器件的結(jié)電容可表示為"「三 (2-3)】W其中三為耗盡區(qū)的介電常數(shù)，A為結(jié)面積，W為耗盡區(qū)寬度?？梢奧越大，|越小，對減少時間常數(shù)有利，同時W越大，對提高器件的效率也是很有利的。但是W越大，即I層越厚，對減少光生載流子的渡越時間不利。所以，I層厚度要折中考慮。2.2光接收機設(shè)計圖2-4光接收機框圖本論文采用光強度直接調(diào)制方式，數(shù)字光接收機一般包括光電探測器、前置放大器、主放大器、均衡器、判決器和解碼器。光電探測器完成信號的光/電轉(zhuǎn)換；設(shè)計的數(shù)字光接收機的框圖如圖2-4所示。前置放大器緊跟著光電探測器，對光電探測器微弱的光信號進(jìn)行放大；判決器的工作是恢復(fù)數(shù)字信號，根據(jù)信號電平的大小判別出該信號是比特 1還是比特0，主放大器屬于后級放大器，因判決電路是根據(jù)信號電平的高低來判別工作的，主放大器的功能就是對來自前置放大器的信號電平進(jìn)行放大，以滿足判決電路的需求；均衡器的作用是將輸出波形進(jìn)行均衡，提高信號判決時的準(zhǔn)確度；解碼器完成解碼功能。光電探測器和前置放大器是光接收機的核心部分，兩者合在一起稱為光接收機前端。光接收機前端是光接收機最先工作的部分，輸出的信號供后續(xù)各部分處理，因此光接收機前端性能優(yōu)劣優(yōu)劣十分重要，對光接收機的靈敏度起到?jīng)Q定作用。所以，要對光接收機前端進(jìn)行深入探討。在上一節(jié)中己經(jīng)對PIN光電探測器進(jìn)行了詳細(xì)分析，下面將重點對前置放大器進(jìn)行研究分析。221前置方攵大器光信號經(jīng)過光電二極管，PIN）檢測出的光電流一般很微弱，無法直接進(jìn)行時鐘提取、判決和解碼操作，所以要先進(jìn)行放大。緊跟著光電探測器后面的放大器就是前置放大器。它的作用是對微弱的光電流進(jìn)行放大，以供下級放大器進(jìn)行放大和處理。但是，前置放大器在放大的同時也引入了本身電阻帶來的熱噪聲和晶體管帶來的散粒噪聲，這些噪聲會在下一級放大器處得到放大，對系統(tǒng)的性能影響很大。所以，要對前置放大器進(jìn)行特別設(shè)計，具有低噪聲、高增益和寬頻帶的特點，從而使光接收系統(tǒng)能得到較大的信噪比。2-1目前，用于光接收機的前置放大器主要有三種：低阻抗前置放大器、2-1高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器。這三種放大器的比較如表所示。表2-1三種前置放大器通過比較，可以得出這樣的結(jié)論：跨阻抗前置放大器具有動態(tài)范圍大、噪聲小、靈敏度高的優(yōu)點，適合在高速光通信系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，選擇跨阻抗前置放大器為前置放大器?？缱杩骨爸梅糯笃鞯碾娐穲D如表2-1所示，其等效輸入電阻?：?表示為:(2-4)其中匚反饋電阻寬帶B（高端截止頻率）表示為:AB = (2—5)2HRA4nRfCt式中-為總輸入電容實際上，跨阻抗前置放大器是在高阻抗前置放大器 -基礎(chǔ)上，為了A改善其帶寬而設(shè)計的，通過增加負(fù)反饋電阻凡，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。由2-4式可得，輸入電阻是高阻抗前置放大器的上。由于輸入電阻 ］的變小，給前置放大器在抗噪聲、電磁干擾方面帶來了好處，也不易發(fā)生串話。由2-5式可得，帶寬與輸入電阻成反比，由于電阻的減小使得帶寬至少增加了A倍。但是在設(shè)計的時候要注意，反饋電阻匚的引入改善了寬帶也引入了熱噪聲，所以反饋電阻略:的大小要折中選擇。

跨阻抗放大器的經(jīng)典設(shè)計如圖2-5所示，由三個三極管構(gòu)成三級放大電路。T1和T2構(gòu)成負(fù)反饋，寬帶補償由R4和C2提供，負(fù)反饋電阻提供負(fù)反饋電壓。該設(shè)計可提供高達(dá)600Mbps的工作速率。圖2-5跨阻抗前置放大器2.3光接收機的誤碼率及靈敏度常用誤碼率和靈敏度兩個參數(shù)來評價光接收機的性能好壞。誤碼率是指在信號判別的時候，發(fā)生錯誤判別的概率。在給定的通信條件下，光信號強度只有高于一定值，光接收機才能對其做出反應(yīng)。這個最小的光信號強度一般用最小平均接收光功率表示，也就是光接收機的靈敏度。信號的判決是通過將信號電平與判決閾值進(jìn)行比較，從而判決出信號值，光接收機根據(jù)系統(tǒng)的工作時鐘信號在某一個時刻進(jìn)行采樣，采樣得到的

信號電壓值I與判決閾值ID比較，若I>ID,則判決為“1”，若1<ID,則判決為“0”。信號在傳輸?shù)倪^程中引入了噪聲，因此接收后的信號無論是高電平還是低電平都加載了噪聲，噪聲在接收波形上表現(xiàn)為凹凸不平的“毛刺”。那么，在接收“1”碼時，如果光接收機在判決時刻的噪聲很大，導(dǎo)致I1<ID，則發(fā)生了誤判，發(fā)生的概率用P（0/1）表示。反之亦然，在接收“0”碼時，噪聲導(dǎo)致I0>ID，同樣產(chǎn)生了誤判，發(fā)生的概率用P（1/0）表示。用P（1）和P（0）分別表示接收到“1”和“0”的概率，則光接收機的誤碼率可以表示為：C2-6)BER=P(l)p(0/l}+p(0)p(l/0)C2-6)噪聲方差表示為:1BER=-erfc1BER=-erfc4其中，匚-分別表示“1”碼和“ierfc(2-73馬的噪聲方差，定義函數(shù)為:erfcfx）=玄 Jdy從公式2-8可以看出，還與判決時刻密切相關(guān)，光接收機的誤碼率與噪聲方差成反比，因此要盡量降低噪聲。靈敏度是指在保證給定誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機所需的最小平均接收光功率.，，對于采用PIN光電探測器的光接收機，靈敏度公式3-4表示為：一 ■■r：I7 (2-9)典一 +%)R式中，一、廳乜分別表示“1”碼和“0”碼的噪聲方差，的『為熱噪聲的方差，R為PIN光電探測器的光電轉(zhuǎn)換效率。由公式2-8和公式2-9可知，光接收機的靈敏度和誤碼率都受到噪聲的影響，而光接收機的噪聲主要來源于光電探測器和前置放大器。光電探測器的噪聲主要是光電轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生電子的隨機性引起的散粒噪聲和溫度作用下載流子熱運動引起的熱噪聲。前置放大器的噪聲主要是輸入電阻熱噪聲和有源器件(如晶體管)的散粒噪聲。如何提高光接收機的性能參數(shù)是可見光通信研究的重點之一，一般可以通過選擇合適材料，提高制造工藝和優(yōu)化電路實現(xiàn)。可見光通信系統(tǒng)對光接收機的要求有：對工作波長范圍內(nèi)的靈敏度高。這是對信號完成光/電轉(zhuǎn)換的能力，直接決定著可見光通信的距離。系統(tǒng)本身噪聲要盡可能小。PIN光探測器的響應(yīng)速度要快，以滿足高速通信的要求。第3章電路設(shè)計3.1光發(fā)射機電路設(shè)計心圖3-1驅(qū)動調(diào)制電路設(shè)計光發(fā)射機的功能是將信號加載到led光源上，將電信號轉(zhuǎn)化成光信號，光發(fā)射機的主要部分是驅(qū)動調(diào)制電路。驅(qū)動調(diào)制電路一方面向 LED光源提供足夠大的驅(qū)動電流，另一方面根據(jù)輸入信號的數(shù)值“ 1”或“0”控制光源的“開”狀態(tài)和“關(guān)”狀態(tài)?？梢姽?LED光源的驅(qū)動調(diào)制電路設(shè)計如圖3-1所示，主要包括調(diào)制電流發(fā)生器和差分驅(qū)動器。驅(qū)動調(diào)制電路各個部分的功能如下：調(diào)制電流發(fā)生器：調(diào)制電流發(fā)生器控制輸出給LED光源的電流幅度大小，由一個集成運算放大器、一個NPN型三極管構(gòu)成。集成運算放大器的同相輸入端接參考電壓發(fā)生器，反向輸入端直接連到三極管發(fā)射極構(gòu)成負(fù)反饋，反向輸入端的輸入電壓值選取三極管發(fā)射極的電位。電阻R1的作用就是為集成運算放攵大器的反向輸入端提供輸入電壓。調(diào)制電流發(fā)生器的工作原理是：集成運放通過比較參考電壓和三極管發(fā)射極電壓（參考電壓大于三極管發(fā)射極電壓），將兩個電壓的差值放大輸出，然后驅(qū)動NPN型三極管。調(diào)制電流發(fā)生器的集電極電流進(jìn)一步控制差分驅(qū)動器的工作時的電流大小。因此，通過選取電阻 R1的大小，就可以獲得不同大小的集電極電流，進(jìn)而獲得差分驅(qū)動器輸出不同大小的驅(qū)動電流。差分驅(qū)動器：差分驅(qū)動器由兩個NPM極管T1和T2構(gòu)成，T1的集電極接LED光源，T2的集電極通過一個電阻接電源。Q2為倒相放大器，將輸入比較器的檢測信號變成差分信號，并且提供增益放大。差分信號控制三極管T1和T2的基極，當(dāng)輸入比較器檢測數(shù)值為“1'時，T1導(dǎo)通，T2截止，此時LED發(fā)光，發(fā)出信號“T;當(dāng)輸入比較器檢測數(shù)值為“0”時，T1截止，T2導(dǎo)通，此時LED不發(fā)光，相當(dāng)于發(fā)出信號“0”。差分驅(qū)動器通過兩個三極管T1和T2的相互導(dǎo)通來控制陣列光源的開啟和關(guān)閉，將光信號調(diào)制到LED陣列光源上。無論是哪個三極管導(dǎo)通都能夠保持穩(wěn)定的電流輸出，有效減低噪聲和電磁干擾。差分驅(qū)動器就相當(dāng)于一個選通開關(guān)，受輸入緩沖器檢測信號的控制。驅(qū)動調(diào)制電路的工作過程是：輸入比較器的接收引腳IN+和IN-接收到差分信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器的比較檢測出信號值是“1”還是“0”。然后，通過倒相放大器的作用變成差分信號，控制差分驅(qū)動器：如果是“0”信號，T1管截止，T2管導(dǎo)通，LED陣列光源不亮，此時沒有光輸出，代表著“0”信號；如果是“1”信號，T1管導(dǎo)通，T2管截止，這種狀態(tài)下LED光源、差分驅(qū)動器和調(diào)制電流發(fā)生器構(gòu)成電流回路，LED光源發(fā)光，代表著“1”信號。通過這種選通的方式，就可以把數(shù)字信號“1”和“0”調(diào)制到LED光源上，以光信號的形式在自由空間中傳播。3.2光接收機模塊經(jīng)過光發(fā)射機調(diào)制的光信號被PIN光電二極管接收，轉(zhuǎn)換成電信號。但是，在光信號在空氣中傳播的過程中會嚴(yán)重衰減， PIN光電二極管轉(zhuǎn)換的電信號十分微弱，必須進(jìn)行放大才能供后續(xù)電路處理。光接收機模塊主要包括前置方攵大電路和主放大電路。3.2.1前置放大電路設(shè)計圖3-2前置放大電路設(shè)計前置放大電路電路設(shè)計如圖3-2所示，主要部分為跨阻抗放大器、差分信號轉(zhuǎn)換器和差分放大輸出。P|N光電二極管接收光信號并轉(zhuǎn)化成電流從引腳IN端輸入，經(jīng)過跨阻放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)過差分信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成差分信號，然后通過差分放大器輸出。由于跨阻放大器低噪聲、高靈敏度等的優(yōu)異性能，所以在設(shè)計中采用跨阻放大器，用放大器A1組成跨阻抗放大器。反饋電阻1跨接在放大器反向輸入端和輸出端，形成并聯(lián)負(fù)反饋，將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓。并聯(lián)的兩個二極管D1和D2的作用是鉗位，在大輸入電流的情況下，限制輸出信號的幅度，從而達(dá)到增大光接收機動態(tài)范圍的目的。此設(shè)計還具有消除直流成分的功能，在放大器A1的同相輸入端接一個小的參考電壓。這個參考電壓可以從電路中提取，因此能夠根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境的不同而變化，實現(xiàn)自動控制。由于放大器的工作特點是放大同相與反相輸入端之間的輸入差值，因此可以抵消輸入信號的直流成分。消除直流成分后，輸入信號位于跨阻抗放大器的線性范圍中央，從而降低脈寬失真。電阻R1和電容C1構(gòu)成濾波電路，減低電源的噪聲干擾。差分信號發(fā)生器由集成運算放大器A2和A3構(gòu)成，將跨阻抗放大器的單端輸出信號分別經(jīng)過集成運算放大器的同相方攵大和反相放大后轉(zhuǎn)變成雙端輸出的差分信號，并且提供額外增益。然后，信號經(jīng)過差分放大電路輸出，以差分信號的形式傳輸?shù)街鞣糯箅娐贰?22主放大電路設(shè)計

圖3-3 主放大電路設(shè)計光電流信號經(jīng)過前置放大器放大后，信號強度還需要后級放大電路進(jìn)一步放大處理才能直接驅(qū)動電路。主放大電路對信號進(jìn)行多級放大，使得信號強度滿足判決再生的需要。并且，電路具有自動增益（AGC）功能，對輸入信號的變化作出補償控制，保持輸出信號的幅度的穩(wěn)定。主放大電路設(shè)計如圖3-3所示，主要包括了輸入緩沖器、帶AGC功能的多級放大器、輸出緩沖器電路組成。從前置放大器來的差分信號通過輸入引腳IN+和IN-進(jìn)入輸入緩沖器，得到放大。然后，信號在多級放大器處進(jìn)一步放大處理，AGCt路控制其輸出幅度，使之輸出幅度保持不變。最后，從輸出緩沖器輸出。輸入緩沖器由一對射隨器和一對差分對管組成。差分信號根據(jù)輸入的數(shù)值控制晶體管T1和T2的導(dǎo)通和截止。然后，通過晶體管的射極輸出控制差分放大器的工作。輸出緩沖器是一個共發(fā)射極差分對管，輸出信號的高低電平切換是由差分對管的開關(guān)作用控制。帶自動增益控制（AGC的多級放大器的作用是提供信號增益，同時控制輸出信號的輸出幅度，保證輸出信號幅度不變。這樣在輸入光功率由于干擾等原因產(chǎn)生變化時，光接收機的仍維持恒定的輸出電壓，使后續(xù)判決電路正常工作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AGC電路的設(shè)計是通過場效應(yīng)管漏源極之間的電阻變化控制放大器的放大倍數(shù)。以差分信號的正輸入端為例，放大器A1、電阻R13和場效應(yīng)管Q1構(gòu)成負(fù)反饋，放大器A1的輸出電壓-…為：<3-D%=%「+醬）<3-D其中，'為場效應(yīng)管Q1的漏源極電阻?？刂菩盘枏闹鞣糯笃鞯妮敵龆颂崛?，經(jīng)過濾波后，輸入到反相放大器，從而變成負(fù)向的AGCfe壓。該負(fù)向的AGCfe壓控制場效應(yīng)管Q1的漏源極之間的電阻，從而控制了放大器A1的放大。當(dāng)輸入電壓Vin增大時，負(fù)向的AGCt壓增大，場效應(yīng)管Q1的漏源極電阻增大，根據(jù)公式3-1可以知道輸出電壓變小。反之亦然，輸入電壓減小時，場效應(yīng)管Q1的漏源極電阻減小，輸出電壓變大。3.3光接收模塊原理圖圖3-4光接收模塊原理圖圖3-4光接收模塊原理圖+J前置主放大放電芒大器d+'riJD1光接收模塊的電路原理如圖3-4所示，光信號由PIN光電二極管接收轉(zhuǎn)換成電流信號，通過前置放大器和主放大電路進(jìn)行放大。前置放大器和主放大器之間采用阻容渦合的方式進(jìn)行連接，阻容渦合方式帶來很多好處。由于電容對直流量的電抗為無窮