可见光通信低成本前置接收电路设计

摘 要

介绍一种由两级放大器组成的高性价比可见光通信前置放大电路。分别使用电压反馈型运放组成PIN光电二极管电流-电压转换器、使用电流反馈型运放组成电压增益放大器。讨论了相关设计要点并给出了计算公式和具体设计方法。

【关键词】可见光通信 PIN光电二极管 转阻放大器 电流放大器

在可见光通信系统中，光信号接收前置放大电路是一个重要的组成部分。低噪声、宽频带和足够的增益是对该部分电路的基本要求。具有较佳技术性能的光电接收前置放大电路往往使用了价格高昂的器件，使其成本过高，对可见光通信技术的市场应用产生了不利影响。

1 技术方案

1.1 设计要求

在保证高速、高增益的同时具有低成本的优点，满足以荧光型LED作为信号发射源、直接数字强度调制的可见光通信系统光电转换前置放大电路的需求。

1.2 技术参数确定

频率响应。-3dB高频响应为2MHz-10MHz。

灵敏度。可见光通信系统中，LED光源同时兼具照明和可见光通信信号发送的双重作用。日常生活、工作中，对室内参考平面上光照度的最低要求一般为100lx。为留有一定裕量，以照度值50lx作为可见光通信系统正常工作的阈值。考虑到后续电路的要求，拟定前置放大电路此时的输出电压应不小于0.5Vpp（0.177Vrms）。

供电电源形式。采用+5V单电源供电以降低供电电源的复杂性。

1.3 实现方案

光电接收器采用PIN光电二极管，具有电路结构简单和成本低廉的特点。放大电路由光电转换跨阻放大器和电流反馈型高速放大器组成。电路如图1所示。

2 第一级放大电路和PIN光电二极管

PIN光电二极管D1、电阻R3和电压反馈型运放U1等组成电流-电压转换器即跨阻放大器。

忽略光电管漏电流影响，放大器输出电压为：

（1）

其中Ip为PIN管光电转换产生的信号电流。

电压反馈型放大器组成的跨阻放大器与单纯电压反馈型放大器相比，具有更好的的频率响应。其高频截止频率为：

（2）

其中GBP为U1的增益带宽积，Ci为光电二极管结电容C0和U1的输入电容之和。

C2为跨阻放大器的相位补偿电容，可由下式求出：

（3）

因R3和PCB存在寄生电容，故C2的最终取值应通过实验进行调整。

U1选用低成本、高性能电压反馈型放大器AD8057，具有高速、低噪声、低失真和低功耗的特点。其输入电容为2pF、5V单电源供电时GBP为300MHz。

分压电阻选R1=R2，则=+2.5V。光电二极管D1工作于反偏工作状态，有利于减少结电容从而提高频率响应。

PIN光电二极管的选取应从高速响应特性、光谱接收特性等方面考虑。这里选用OSRAM公司的BPW34。其上升、下降沿时间为20ns。对于400nm-760nm的可见光波长，相对光谱灵敏度>10%。

由BPW34数据规格表中的电容特性曲线可求出当VR=2.5V时，电容C0=28pF。通过实验可测得当所采用的LED光源光照度为50lx时IP=0.23μA（VR=2.5V）。

3 第二级放大电路

由电流反馈型运放U2组成。电流反馈型运放较电压反馈型运放相比，带宽随增益变化较小，高增益时仍能保持高带宽。

本级电压增益为：

（4）

U2选用低成本、高速、高性能电流反馈型放大器ADA4860-1，具有优良的综合性能。

根据ADA4860-1数据手册的推荐和实验验证，可按表1选取电阻值。

4 电路总频响和输出电压

高频响应：

（5）

输出电压：

（6）

5 设计实例和测试

取f1=5MHZ，由公式（1）（2）（3）可计算出第一级放大器的R3=63.7kΩ、C2=0.11pF、50lx调制光照下的输出电压U01=15mVrms。

根据灵敏度设计要求，由公式（6）可求出A2应大于177/15=11.8。取A2=20，则U02=300mVrms。由表1可得R5=348Ω，R4=18.2Ω，f2=70MHz。

由公式（5）可计算出电路频响fH=4.5MHz。

按上述相关计算值选取元件，实测电路-3dB高频响应频率为3.8MHz。当信号频率为1MHz、LED光源光照度为50lx时，实测电路输出电压为310Vrms。电路工作总电流实测为10mA。

由于R3和PCB寄生电容降低了第一级放大器频响，电路频响的计算值和实测值存在一定误差。在设计时频响的取值应留有余量。改变U1、U2频响和增益的设计组合参数，选取相应的元件值，电路频响可达10MHz。

6 结语

设计的电路分别采用两种不同类型的放大器，充分发挥了各自的特点。在保证高速、高增益、低噪声的同时具有低成本的优点。相关电路已申请专利，目前已应用于基于可见光通信技术的计量仪器数据无线采集系统。

参考文献

[1][美]Walt Jung著，张乐锋等译.运算放大器应用技术手册[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2][美]Jerald Graeme著，赖康生等译.光电二极管及其放大电路设计[M].北京：科学出版社，2012.

[3]华成英，童诗白主编.模拟电子技术基础第4版[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]沈力，胡鹏飞.一种可见光通信信号接收前置电路[P]. ZL201420687822.7，2015-07-01.

作者单位

贵州省计量测试院 贵州省贵阳市 550003