CN106941377B - 用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法，通过设置反馈网络中反馈电阻和电容的值，使光电接收器的传输特性曲线在高频部分出现一个增益峰值，利用这个峰值提高接收器对于LED的高频响应增益，从而提高响应曲线平坦度、拓展带宽。本发明侧重光电接收器上的优化设计，不需要额外的后均衡电路，电路结构简单、成本较低，而且由于所需元器件较少可实现较高的集成度。

Description

用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法
技术领域
本发明用于可见光通信技术，具体涉及可见光通信系统中光电接收器的设计方法。
背景技术
LED可见光通信具有无电磁污染、信噪比高、无需频谱授权、高保密性等优点，成为国内外研究热点。但是目前商品化LED的调制带宽较窄，仅几兆至十几兆。为提高商品化LED在可见光通信系统中的3dB带宽，一般在发射模块中采用预均衡电路，或/且在接收模块中采用后均衡电路。对于普通的光电接收器，LED可见光通信信号在高频上有较大的衰减，使得系统的传输特性曲线具有较高的低频响应。因此，目前后均衡电路采用的主要技术是采用电阻‐电容并联模块，削减光电接收器的低频响应，从而提高系统响应曲线的平坦度、拓展带宽。这种方案极大地降低了系统的整体响应增益，降低了信噪比。为了解决这个问题，需要在光电接收器后再增加一个有源放大电路和增益平衡电路，使得电路较为复杂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法，具体技术方案如下。
用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法，该设计方法通过计算设置反馈网络中反馈电阻和反馈电容的值，使光电接收器的传输特性曲线在高频部分出现一个增益峰值，利用这个峰值提高接收器对于LED的高频响应增益，从而提高响应曲线平坦度、拓展带宽；所述计算包括增益峰值频率的计算方法、反馈电阻的计算方法和反馈电容的计算方法。
所述的增益峰值频率的计算方法包括：
(1)、通过查询产品技术手册得到光电二极管的寄生电容CD，运算放大器的共模输入电容CM和差模输入电容CDIFF，计算出光电接收器的寄生电容CS＝CD+CM+CDIFF。
(2)、通过运算放大器开环增益曲线得到开环增益函数中的直流增益K和时间常数τ1，计算出运算放大器的开环增益传递函数其中s＝j·2πf，f是通信系统中信号的频率，j是虚数单位。
(3)、根据光电接收器传递函数的表达式结合反馈网络传递函数的表达式/>和步骤(2)中运算放大器的开环增益传递函数AOL的表达式，可以得到光电接收器传递函数的表达式：/>其中τ2＝RF·CS，RF是反馈电阻；
(4)根据自动控制理论中的振荡环节，得到光电接收器传递函数的谐振频率的表达式为：(其中，无阻尼自然振荡频率/>阻尼系数)；光电接收器的传输特性曲线在谐振频率fr1处有一个峰值增益。
所述的反馈电阻的计算方法包括：
(5)设定步骤(4)光电接收器出现峰值增益的频率点，画出接收器的传输特性曲线，结合可见光通信系统发射模块的预均衡电路，得到整个通信系统的传输特性曲线及3dB带宽。
(6)根据步骤(5)计算得到的3dB带宽和设计目标值的差异，重新设定光电接收器出现峰值增益的频率点，重复步骤(5)和步骤(6)，直至符合设计目标的3dB带宽值。
(7)由步骤(6)设定的频率点，以及步骤(4)中谐振频率的表达式，计算相应的反馈电阻RF。
所述的反馈电容的计算方法包括：
(8)为避免步骤(4)中光电接收器的传输特性曲线的峰值增益过大，在反馈电阻上并联一个反馈电容(其中fGBWP是0dB穿越频率，通过查询运算放大器的产品数据手册可以得到)，由上述表达式和步骤(7)得到的反馈电阻值RF计算得到反馈电容的值。
与现有技术相比，本发明侧重光电接收器上的优化设计，不需要额外的后均衡电路，电路结构简单、成本较低，而且由于所需元器件较少可实现较高的集成度。
附图说明
图1是实例中用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法的流程图。
图2是实例中LED可见光通信系统的原理框图。
图3a是实例中做光电接收器传输函数交流分析时光电接收器的简化模型图。
图3b是根据本发明设计方法得到一种光电接收器的实例电路图。
图4是没有预均衡电路时可见光通信系统的传输特性曲线。
图5是有预均衡电路时可见光通信系统的传输特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限制于此。
如图1是用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法的流程图。本实例设计选用的光电二极管型号是滨松s5972，选用的运算放大器型号是德州仪器OPA847。从滨松s5972光电二极管的技术手册可知，当施加反向偏压时，光电二极管的寄生电容CD约3pF。从德州仪器OPA847运算放大器的技术手册可知，共模输入电容CM约1.7pF，差模输入电容CDIFF约2pF；并且从运算放大器的开环增益曲线推算出直流增益K＝31622，时间常数τ1＝2.274×10-6s。将以上数值带入光电接收器传递函数的谐振频率的表达式：由于ωn1(τ1,τ2,K)和ζ1(τ1,τ2,K)是τ1、τ2和K的函数，其中τ1和K是已知常数，而τ2＝RF·CS，所以fr1(RF)是RF的函数。将峰值频率fr1设置为某一个特性频率，即可解出唯一的未知量RF。通过比较计算得到的3dB带宽和设计目标值的差异，经过多次调整，得到：当RF＝1KΩ，谐振频率约为216MHz。此时，反馈电容CF＝0.5pF。
如图2是LED可见光通信系统的原理框图，其中包含信号源、LED驱动电路、预均衡电路、耦合树、透镜组和光电接收器。直流驱动和交流信号(网络分析仪提供)通过耦合树注入LED(OSRAM LB‐H9GP)使之发光，光路上有一对透镜(焦距3cm)聚焦光束增加传输距离，光电接收器将光转化为电并连接网络分析仪，测得可见光通信系统的传输特性曲线如图4和图5所示。
光电接收器的简化模型图如图3a所示，其中包括差模输入电容CDIFF、共模输入电容CM、光电二极管寄生电容CD、光电二极管等效电流源ID、反馈电阻RF、反馈电容CF，+5V电源V+，‐5V电源V-。本实例设计的电路图如图3b所示。
如图4，与普通的光电接收器相比，使用本发明的设计方法后，设定反馈电阻RF＝1KΩ时，在谐振频率216MHz处出现增益峰值；在反馈电阻RF上并联一个反馈电容CF＝0.5pF时，在谐振频率216MHz处出现的增益峰值有所降低。如图5所示，其中2点是处于增益曲线平坦区域的参考频率点，点1是比点2增益低3dB的频率点，使用本发明提供的光电接收器设计方法后，结合预均衡电路，可见光通信系统的传输特性曲线的3dB带宽高达230MHz。

Claims (1)

1.用于提高可见光通信中高频增益的光电接收器设计方法，其特征在于在接收端的光电接收器上，通过计算并设置反馈网络中反馈电阻和反馈电容的值，使光电接收器的传输特性曲线在高频部分出现一个增益峰值，利用这个峰值提高接收器对于LED的高频响应增益，从而提高响应曲线平坦度、拓展带宽；所述计算包括增益峰值频率的计算、反馈电阻的计算和反馈电容的计算；所述增益峰值频率的计算包括：
(1)通过查询产品技术手册得到光电二极管的寄生电容CD，运算放大器的共模输入电容CM和差模输入电容CDIFF，计算出光电接收器的寄生电容CS＝CD+CM+CDIFF；
(2)通过运算放大器开环增益曲线得到开环增益函数中的直流增益K和时间常数τ1，计算出运算放大器的开环增益传递函数其中s＝j2πf，f是通信系统中信号的频率，j是虚数单位；
(3)根据光电接收器传递函数的表达式结合反馈网络传递函数的表达式/>和步骤(2)中运算放大器的开环增益传递函数AOL的表达式，可以得到光电接收器传递函数的表达式：/>其中τ2＝RF·CS，RF是反馈电阻；
(4)根据自动控制理论中的振荡环节，得到光电接收器传递函数的谐振频率的表达式为：其中，无阻尼自然振荡频率/>阻尼系数光电接收器的传输特性曲线在谐振频率fr1处有一个峰值增益；所述反馈电阻的计算包括：
(5)设定步骤(4)光电接收器出现峰值增益的频率点，画出接收器的传输特性曲线，结合可见光通信系统发射模块的预均衡电路，得到整个通信系统的传输特性曲线及3dB带宽；
(6)根据步骤(5)计算得到的3dB带宽和设计目标值的差异，重新设定光电接收器出现峰值增益的频率点，重复步骤(5)和步骤(6)，直至得到符合设计目标的3dB带宽值；
(7)由步骤(6)最终设定的频率点，以及步骤(4)中谐振频率的表达式，计算相应的反馈电阻RF；
所述反馈电容的计算包括：
(8)为避免步骤(4)中光电接收器的传输特性曲线的峰值增益过大，在反馈电阻上并联一个反馈电容；根据补偿理论，反馈电容其中fGBWP是0dB穿越频率，通过查询运算放大器的产品数据手册得到，由上述表达式和步骤(7)得到的反馈电阻值RF计算得到反馈电容的值。
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