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可見光通信低成本前置接收電路設計論文
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。討論了相關設計要點并給出了計算公式和具體設計方法。
在可見光通信系統中，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，對可見光通信技術的市場應用產生了不利影響。
1 技術方案
1.1 設計要求
在保證高速、高增益的同時具有低成本的優點，滿足以熒光型LED作為信號發射源、直接數字強度調制的可見光通信系統光電轉換前置放大電路的需求。
1.2 技術參數確定
頻率響應。-3dB高頻響應為2MHz-10MHz。
靈敏度。可見光通信系統中，LED光源同時兼具照明和可見光通信信號發送的雙重作用。日常生活、工作中，對室內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正常工作的閾值。考慮到后續電路的要求，擬定前置放大電路此時的輸出電壓應不小于 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雜性。
1.3 實現方案
光電接收器采用PIN光電二極管，具有電路結構簡單和成本低廉的特點。放大電路由光電轉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管光電轉換產生的信號電流。
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。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的最終取值應通過實驗進行調整。
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，有利于減少結電容從而提高頻率響應。
PIN光電二極管的選取應從高速響應特性、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數據規格表中的電容特性曲線可求出當VR=2.5V時，電容C0=28pF。通過實驗可測得當所采用的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，具有優良的綜合性能。
根據ADA4860-1數據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：
(5)
輸出電壓：
(6)
5 設計實例和測試
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調制光照下的輸出電壓U01=15mVrms。
根據靈敏度設計要求，由公式(6)可求出A2應大于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。
按上述相關計算值選取元件，實測電路-3dB高頻響應頻率為3.8MHz。當信號頻率為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。在設計時頻響的取值應留有余量。改變U1、U2頻響和增益的設計組合參數，選取相應的元件值，電路頻響可達10MHz。
6 結語
設計的電路分別采用兩種不同類型的放大器，充分發揮了各自的特點。在保證高速、高增益、低噪聲的同時具有低成本的優點。相關電路已申請專利，目前已應用于基于可見光通信技術的計量儀器數據無線采集系統。
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