CN111934765A - 一种可见光通信系统接收前端电路 - Google Patents

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CN111934765A CN202010542929.2A CN202010542929A CN111934765A CN 111934765 A CN111934765 A CN 111934765A CN 202010542929 A CN202010542929 A CN 202010542929A CN 111934765 A CN111934765 A CN 111934765A
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Abstract

本发明涉及可见光通信技术领域，更具体的是涉及一种可见光通信系统接收前端电路，包括顺次连接的将光信号转换成电压信号并初步放大的跨阻放大电路、消除背景光噪声和电路直流偏置影响的高通滤波电路、起主要增益作用的主放大电路和提升带宽的后均衡电路。本发明通过跨阻放大电路、主放大电路、后均衡电路的级联，在实现光电转换的同时还能够完成对信号的放大和频带的展宽，该电路较为简单，成本较低、易于实现，且适用于多种LED光源。

Description

一种可见光通信系统接收前端电路
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，更具体地是涉及一种可见光通信系统接收前端电路。
背景技术
可见光通信技术是一项新型的通信技术，其利用荧光灯或发光二极管等发光部件发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息，通过光电元件接收光信号并转换成电信号实现信号接收和转换。一般的可见光通信系统包括发射器和接收器电路，以及发光二极管和光电探测器，以通过光链路发送和接收数据。其中，接收机是实现该技术不可或缺的一部分。不同于传统射频通信，可见光易受到周围环境背景光噪声的干扰，同时，由于室内墙壁等障碍物反射所引起的多径效应等因素都会对接收机后端的信号处理造成影响，此外，可见光在经信道传输之后，其信号往往十分微弱，这对接收机的灵敏度也提出了要求。所以，设计制作一个高灵敏度、低噪声、高线性度且能够稳定工作的接收机前端就显得尤为重要，实现难度也相对较大。
现阶段研究人员大多使用已商用的探测器模块和用于传统射频通信的增益模块来实现接收机前端功能，这就导致了接收机前端的体积过大、集成度低、连接线过多，无法满足实用化的需求。
中国专利CN201711004517.8带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片，其设计了用于可见光通信系统的整体独立接收机专用集成电路，包括跨阻放大器、后均衡电路、三级限幅放大器、双端转单端电路、反向器、直流电平偏移电路，其功耗较低、提高了接收前端的集成度，但是这种专用芯片电路较为复杂，级联电路模块较多，容易发生静态工作点的偏移，导致整个电路工作不稳定，甚至无法工作，其因此加入了直流电平偏移消除电路，以起到消除工作点电平漂移，稳定电路的作用。这样整个芯片电路更为复杂，实现难度较高，成本更高，一般只会用在特定的场所，不利于可见光通信的大规模应用。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中使用传统探测器模块和增益模块集成度低、使用专用芯片成本高、难以实现的不足，提供了一种低成本、易于实现、可提高可见光通信系统集成度的接收前端电路。
在本技术方案中，提供了一种可见光通信系统接收前端电路，包括顺次连接的将光信号转换成电压信号并初步放大的跨阻放大电路、消除背景光噪声和电路直流偏置影响的高通滤波电路、起主要增益作用的主放大电路和提升带宽的后均衡电路。
本发明中通过跨阻放大电路、主放大电路、后均衡电路的级联，在实现光电转换的同时还完成对信号的放大和频带的展宽，提高了可见光通信系统接收前端的集成度，电路设计较为简单，成本较低、易于实现，且适用于多种LED光源。
优选地，上述的跨阻放大电路包括光电二极管、运算放大器U1、电阻RF1、电阻RISO、电阻R1、电容CF；
光电二极管的阴极连接反向偏置电压Vbias，以减小其结电容，提高电路的稳定性和带宽；光电二极管的阳极、电阻RF1的一端、电容CF的一端与电阻RISO的一端连接，电阻RISO另一端与运算放大器U1的反向输入端连接，电容CF的另一端、电阻RF1的另一端与运算放大器U1的输出端连接；由光电二极管进行光电转换产生的光电流由光电二极管的阳极流入运算放大器U1的反向输入端，电阻RF1和电容CF构成负反馈网络，给电路提供稳定的增益；电阻RISO可以抑制由走线电感和运算放大器U1内部电容引起的潜在谐振；
电阻R1一端与运算放大器U1的正向输入端连接，另一端接地，抵消由于运放输入电流引起的偏置效应；
电阻R1和电阻RF1的值相等。
可以知道，整个电路的增益为电阻RF1的值，带宽为
Figure BDA0002539660500000021
其中，f-3dB为带宽，GBP为运算放大器的增益带宽积,CS为前端寄生电容，包括光电二极管的结电容和运算放大器的共模差模输入电容，可以在芯片的数据手册中查阅得到。
优选地，上述的高通滤波电路包括电容C1、电阻R2；
电容C1的一端与运算放大器U1的输出端连接，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地；
电阻R2和电容C1连接的节点为高通滤波电路的输出端，用以滤除背景光噪声和电路偏置产生的直流分量。
优选地，上述的主放大电路包括同向级联的第一级放大电路和第二级放大电路，这样设置的目的在于保证电路带宽的同时提高增益；第一级放大电路包括运算放大器U2、电阻RG1、电阻RF2，第二级放大电路包括运算放大器U3、电阻RG2、电阻RF3、电阻R3；
运算放大器U2的正向输入端与高通滤波电路的输出端连接，经跨阻放大电路放大后的电压信号输入运算放大器U2的正向输入端；
电阻RG1的一端、电阻RF2的一端与运算放大器U2的反向输入端连接，电阻RG1的另一端接地，电阻RF2的另一端与运算放大器U2的输出端连接；
运算放大器U3的正向输入端与运算放大器U2的输出端、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地；
运算放大器U3的反向输入端与电阻RG2的一端、电阻RF3的一端连接，电阻RG2的另一端接地，电阻RF3的另一端与运算放大器U3的输出端连接；
运算放大器U3的输出端与电容C2的一端连接，电容C2另一端为主放大电路的输出端。
由电阻RG1、电阻RG2和电阻RF2、电阻RF3组成的电阻网络对电压信号进行正向无失真的放大，最终可得到的增益可表示为
Figure BDA0002539660500000031
其中，Gain为增益。
优选地，上述的运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3均连接有为其供电的直流电源V+和直流电源V-，为其供电。
优选地，上述的直流电源V+还连接有并联的电容Cd1和电容Cd2，直流电源V-还连接有并联的电容Cd3和电容Cd4；电容Cd1大于Cd2，电容Cd3大于电容Cd4，滤除电源中的交流成分。
优选地，上述的运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3的型号为OPA855。
优选地，上述的后均衡电路包括级联的第一级共射放大电路和第二级共射放大电路，这样设置的目的在于增加电路补偿的频带范围，提升均衡的效果，突破运算放大器增益带宽积对带宽的限制，实现大带宽的高速可见光通信；第一级共射放大电路包括三极管Q1、电容C3、电容C4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，第二级共射放大电路包括三极管Q2、电容C5、电容C6、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13；
三极管Q1的基极与主放大电路的输出端、电阻R4的一端和电阻R5的一端连接，电阻R4的另一端连接直流电源Vcc，电阻R5的另一端接地；主放大电路的电压信号由三极管Q1的基极输入，电阻R4用来提供电路的静态工作点；
电阻R6的一端连接三极管Q1的集电极，另一端连接直流电源Vcc，作为上拉电阻增大输出信号的强度；
电阻R7的一端接地，另一端与三极管Q1的发射极连接；
电容C3一端连接三极管Q1的集电极，另一端连接三极管Q2的基极，耦合三极管Q1和三极管Q2，进一步滤除电路中的直流成分；
电容C4一端接地，另一端通过电阻R8与三极管Q1的发射极连接，改变电路的频率特性；
电阻R9的一端和电阻R10的一端与三极管Q2的基极连接，电阻R9的另一端连接直流电源Vcc，电阻R10的另一端接地，电阻R9用来提供电路的静态工作点；
电阻R11的一端连接三极管Q2的集电极，另一端连接直流电源Vcc，作为上拉电阻增大输出信号的强度；
电阻R12的一端接地，另一端与三极管Q2的发射极连接；
电容C6的一端接地，另一端通过电阻R13与三极管Q2的发射极连接，改变电路的频率特性；
电容C5的一端与三级管Q2的集电极连接，另一端作为输出端VOUT。
优选地，上述的直流电源Vcc还连接有并联的电容Cd5和电容Cd6，电容Cd5大于电容Cd6，用以滤除电源中的交流成分，给后均衡电路供电。
优选地，上述的三极管Q1和三极管Q2的型号为BFR193W。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明中通过跨阻放大电路、主放大电路、后均衡电路的级联，在实现光电转换的同时还完成对信号的放大和频带的展宽，提高了可见光通信系统的集成度，该电路较为简单，成本较低、易于实现，且适用于多种LED光源。
附图说明
图1为本发明实施例可见光通信系统接收前端电路的电路图；
图2为本发明实施例可见光通信系统接收前端电路的跨阻放大电路和高通滤波电路的电路图；
图3为本发明实施例可见光通信系统接收前端电路的主放大电路的电路图；
图4为本发明实施例可见光通信系统接收前端电路的运算放大器电源的电路图；
图5为本发明实施例可见光通信系统接收前端电路的后均衡电路的电路图；
图6为本发明实施例可见光通信系统接收前端电路的单单极和两级后均衡电路的频率响应曲线示意图；
图7为本发明实施例可见光通信系统接收前端电路的后均衡电路电源的电路图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例
如图1至图7为一种可见光通信系统接收前端电路的实施例，包括顺次连接的将光信号转换成电压信号并初步放大的跨阻放大电路、消除背景光噪声和电路直流偏置影响的高通滤波电路、起主要增益作用的主放大电路和提升带宽的后均衡电路。
如图2所示，跨阻放大电路包括光电二极管、运算放大器U1、电阻RF1、电阻RISO、电阻R1、电容CF；
光电二极管的阴极连接反向偏置电压Vbias，以减小其结电容，提高电路的稳定性和带宽；光电二极管的阳极、电阻RF1的一端、电容CF的一端与电阻RISO的一端连接，电阻RISO另一端与运算放大器U1的反向输入端连接，电容CF的另一端、电阻RF1的另一端与运算放大器U1的输出端连接；由光电二极管进行光电转换产生的光电流由光电二极管的阳极流入运算放大器U1的反向输入端，电阻RF1和电容CF构成负反馈网络，给电路提供稳定的增益；电阻RISO可以抑制由走线电感和运算放大器U1内部电容引起的潜在谐振；
电阻R1一端与运算放大器U1的正向输入端连接，另一端接地，抵消由于运放输入电流引起的偏置效应；
电阻R1和电阻RF1的值相等。
可以知道，整个电路的增益为电阻RF1的值，带宽为
Figure BDA0002539660500000061
其中f-3dB为带宽，GBP为运算放大器的增益带宽积,CS为前端寄生电容，包括光电二极管的结电容和运算放大器的共模差模输入电容，可以在芯片的数据手册中查阅得到。
高通滤波电路包括电容C1、电阻R2；
电容C1的一端与运算放大器U1的输出端连接，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地；
电阻R2和电容C1连接的节点为高通滤波电路的输出端，用以滤除背景光噪声和电路偏置产生的直流分量。
如图3所示，主放大电路包括同向级联的第一级放大电路和第二级放大电路，这样设置的目的在于保证电路带宽的同时提高增益；第一级放大电路包括运算放大器U2、电阻RG1、电阻RF2，第二级放大电路包括运算放大器U3、电阻RG2、电阻RF3、电阻R3；
运算放大器U2的正向输入端与高通滤波电路的输出端连接，经跨阻放大电路放大后的电压信号输入运算放大器U2的正向输入端；
电阻RG1的一端、电阻RF2的一端与运算放大器U2的反向输入端连接，电阻RG1的另一端接地，电阻RF2的另一端与运算放大器U2的输出端连接；
运算放大器U3的正向输入端与运算放大器U2的输出端、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地；
运算放大器U3的反向输入端与电阻RG2的一端、电阻RF3的一端连接，电阻RG2的另一端接地，电阻RF3的另一端与运算放大器U3的输出端连接；
运算放大器U3的输出端与电容C2的一端连接，电容C2另一端为主放大电路的输出端。
由电阻RG1、电阻RG2和电阻RF2、电阻RF3组成的电阻网络对电压信号进行正向无失真的放大，最终可得到的增益可表示为
Figure BDA0002539660500000071
其中Gain为增益。
如图4所示，运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3均连接有为其供电的直流电源V+和直流电源V-，为其供电。
直流电源V+还连接有并联的电容Cd1和电容Cd2，直流电源V-还连接有并联的电容Cd3和电容Cd4；电容Cd1大于Cd2，电容Cd3大于电容Cd4，滤除电源中的交流成分。
其中电容Cd1、电容Cd3的值为10μF，电容Cd2、电容Cd4的值为100nF。需要说明的是，此取值仅仅为本实施例的一个取值参考，其他电容取值也在本方案包括的范围内。
另外，运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3的型号为OPA855，值得注意的是，此型号仅为本实施例优选的一个型号，其他型号的运算放大器也在本方案的范围内。
如图5所示，后均衡电路包括级联的第一级共射放大电路和第二级共射放大电路，第一级共射放大电路包括三极管Q1、电容C3、电容C4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，第二级共射放大电路包括三极管Q2、电容C5、电容C6、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，这样设置的目的在于增加电路补偿的频带范围，提升均衡的效果，突破运算放大器增益带宽积对带宽的限制，实现大带宽的高速可见光通信；
如图6所示，电容C4的不同取值下可以看出，单极均衡电路的补偿频带范围有限，两级均衡电路则可以实现低频段衰减，中频段保持，高频段增益提高的效果，适用于宽带范围内的幅度均衡，
其中三极管Q1的基极与主放大电路的输出端、电阻R4的一端和电阻R5的一端连接，电阻R4的另一端连接直流电源Vcc，电阻R5的另一端接地；主放大电路的电压信号由三极管Q1的基极输入，电阻R4用来提供电路的静态工作点；
电阻R6的一端连接三极管Q1的集电极，另一端连接直流电源Vcc，作为上拉电阻增大输出信号的强度；
电阻R7的一端接地，另一端与三极管Q1的发射极连接；
电容C3一端连接三极管Q1的集电极，另一端连接三极管Q2的基极，耦合三极管Q1和三极管Q2，进一步滤除电路中的直流成分；
电容C4一端接地，另一端通过电阻R8与三极管Q1的发射极连接，改变电路的频率特性；
电阻R9的一端和电阻R10的一端与三极管Q2的基极连接，电阻R9的另一端连接直流电源Vcc，电阻R10的另一端接地，电阻R9用来提供电路的静态工作点；
电阻R11的一端连接三极管Q2的集电极，另一端连接直流电源Vcc，作为上拉电阻增大输出信号的强度；
电阻R12的一端接地，另一端与三极管Q2的发射极连接；
电容C6的一端接地，另一端通过电阻R13与三极管Q2的发射极连接，改变电路的频率特性；
电容C5的一端与三级管Q2的集电极连接，另一端作为输出端VOUT。
如图7所示，直流电源Vcc还连接有并联的电容Cd5和电容Cd6，电容Cd5大于电容Cd6，用以滤除电源中的交流成分，给后均衡电路供电，其中，电容Cd5的值为10μF，Cd6的值为100nF，值得注意的是，此取值仅为本实施例中优选的值，其他的取值可以实现滤除交流成分的功能。
其中，三极管Q1和三极管Q2的型号为BFR193W，或也可以采用其他型号的三极管。
本发明中通过跨阻放大电路、主放大电路、后均衡电路的级联，在实现光电转换的同时还完成对信号的放大和频带的展宽，提高了可见光通信系统接收前端的集成度，电路设计较为简单，成本较低、易于实现，且适用于多种LED光源。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，包括顺次连接的将光信号转换成电压信号并初步放大的跨阻放大电路、消除背景光噪声和电路直流偏置影响的高通滤波电路、起主要增益作用的主放大电路和提升带宽的后均衡电路。
2.根据权利要求1所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述跨阻放大电路包括光电二极管、运算放大器U1、电阻RF1、电阻RISO、电阻R1、电容CF；
所述光电二极管的阴极连接反向偏置电压Vbias，所述光电二极管的阳极、电阻RF1的一端、电容CF的一端与所述电阻RISO的一端连接，所述电阻RISO另一端与所述运算放大器U1的反向输入端连接，所述电容CF的另一端、电阻RF1的另一端与所述运算放大器U1的输出端连接；
所述电阻R1一端与所述运算放大器U1的正向输入端连接，另一端接地；
所述电阻R1和所述电阻RF1的值相等。
3.根据权利要求2所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述高通滤波电路包括电容C1、电阻R2；
所述电容C1的一端与所述运算放大器U1的输出端连接，另一端与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端接地；
所述电阻R2和电容C1连接的节点为所述高通滤波电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述主放大电路包括同向级联的第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路包括运算放大器U2、电阻RG1、电阻RF2，所述第二级放大电路包括运算放大器U3、电阻RG2、电阻RF3、电阻R3；
所述运算放大器U2的正向输入端与所述高通滤波电路的输出端连接；
所述电阻RG1的一端、电阻RF2的一端与所述运算放大器U2的反向输入端连接，所述电阻RG1的另一端接地，所述电阻RF2的另一端与所述运算放大器U2的输出端连接；
所述运算放大器U3的正向输入端与所述运算放大器U2的输出端、电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地；
所述运算放大器U3的反向输入端与所述电阻RG2的一端、电阻RF3的一端连接，所述电阻RG2的另一端接地，所述电阻RF3的另一端与所述运算放大器U3的输出端连接；
所述运算放大器U3的输出端与所述电容C2的一端连接，所述电容C2另一端为主放大电路的输出端。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3均连接有为其供电的直流电源V+和直流电源V-。
6.根据权利要求5所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述直流电源V+还连接有并联的电容Cd1和电容Cd2，所述直流电源V-还连接有并联的电容Cd3和电容Cd4；所述电容Cd1大于所述Cd2，所述电容Cd3大于所述电容Cd4。
7.根据权利要求5所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3的型号为OPA855。
8.根据权利要求4所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述后均衡电路包括级联的第一级共射放大电路和第二级共射放大电路，所述第一级共射放大电路包括三极管Q1、电容C3、电容C4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，所述第二级共射放大电路包括三极管Q2、电容C5、电容C6、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13；
所述三极管Q1的基极与所述主放大电路的输出端、电阻R4的一端和电阻R5的一端连接，所述电阻R4的另一端连接直流电源Vcc，所述电阻R5的另一端接地；
所述电阻R6的一端连接三极管Q1的集电极，另一端连接直流电源Vcc；
所述电阻R7的一端接地，另一端与所述三极管Q1的发射极连接；
所述电容C3一端连接所述三极管Q1的集电极，另一端连接三极管Q2的基极；
所述电容C4一端接地，另一端通过电阻R8与所述三极管Q1的发射极连接；
所述电阻R9的一端和电阻R10的一端与所述三极管Q2的基极连接，所述电阻R9的另一端连接直流电源Vcc，所述电阻R10的另一端接地；
所述电阻R11的一端连接三极管Q2的集电极，另一端连接直流电源Vcc；
所述电阻R12的一端接地，另一端与所述三极管Q2的发射极连接；
所述电容C6的一端接地，另一端通过电阻R13与所述三极管Q2的发射极连接；
所述电容C5的一端与所述三级管Q2的集电极连接，另一端作为输出端VOUT。
9.根据权利要求8所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述直流电源Vcc还连接有并联的电容Cd5和电容Cd6，所述电容Cd5大于电容Cd6。
10.根据权利要求8所述的一种可见光通信系统接收前端电路，其特征在于，所述三极管Q1和三极管Q2的型号为BFR193W。
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