本實用新型用于可見光通信技術(shù)，具體涉及用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器。

背景技術(shù)：

LED可見光通信信號在高頻上有較大的衰減，使得系統(tǒng)的傳輸特性曲線具有較高的低頻響應(yīng)。因此，目前后均衡電路采用的主要技術(shù)是采用電阻‐電容并聯(lián)模塊，削減光電接收器的低頻響應(yīng)，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)曲線的平坦度、拓展帶寬，這種方案極大地降低了系統(tǒng)的整體響應(yīng)增益，降低了信噪比。為了解決這個問題，需要在光電接收器后再增加一個有源放大電路和增益平衡電路，使得電路較為復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器，具體技術(shù)方案如下。

一種用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器，其包括電源去耦電路、光電二極管、光電二極管的偏置濾波電路、運算放大器、運算放大器的偏置補償電路、運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)和輸出阻抗匹配電路；光電二極管負端接在運算放大器的反相輸入端。

進一步實施地，所述電源去耦電路包括+5V、‐5V、地共三個電平以及跨接在地與兩個電平之間的正電壓去耦電容和負電壓去耦電容；所述正電壓去耦電容包含分別接在+5V和地之間的一個10uF～100uF的電容和一個10nF～100nF的電容；所述負電壓去耦電容包含分別接在‐5V和地之間的一個10uF～100uF的電容和一個10nF～100nF的電容。

進一步實施地，所述光電二極管的偏置濾波電路中，在光電二極管的正端和‐5V電壓之間接入濾波電阻R_B，在光電二極管的正端和地之間接入電容C_B。

進一步實施地，滿足R_B<<R_F，C_B>>C_S，其中R_F是運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電阻；Cs是光電接收器的輸入寄生電容，包含光電二極管的寄生電容、運算放大器的共模輸入電容和輸入放大器的差模輸入電容。

進一步實施地，所述的運算放大器的偏置補償電路包含一個補償電阻和一個補償電容；所述補償電阻和補償電容并聯(lián)，并聯(lián)后的一端接在運算放大器的同相輸入端，另一端接地；

進一步實施地，所述補償電阻的阻值等于反饋網(wǎng)絡(luò)中的反饋電阻的阻值，補償電容值取1uF～10uF。

進一步實施地，所述運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)包括一個反饋電阻和一個反饋電容；所述反饋電阻一端接在運算放大器的反向輸入端，另一端接在運算放大器的輸出端口；所述反饋電容與反饋電阻并聯(lián)。

進一步實施地，反饋電阻的阻值確定如下：

(1)、通過查詢產(chǎn)品技術(shù)手冊得到光電二極管的寄生電容C_D，運算放大器的共模輸入電容C_M和差模輸入電容C_DIFF，計算出光電接收器的寄生電容C_S＝C_D+C_CM+C_DIFF；

(2)、通過運算放大器開環(huán)增益曲線得到開環(huán)增益函數(shù)中的直流增益K和時間常數(shù)τ₁，計算出運算放大器的開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)其中s＝j(luò)·2πf，f是通信系統(tǒng)中信號的頻率，j是虛數(shù)單位；

(3)、根據(jù)光電接收器傳遞函數(shù)的表達式結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的表達式和步驟(2)中運算放大器的開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)A_OL的表達式，可以得到光電接收器傳遞函數(shù)的表達式：其中τ₂＝R_F·C_S，R_F是反饋電阻)；

(4)根據(jù)自動控制理論中的振蕩環(huán)節(jié)，得到光電接收器傳遞函數(shù)的諧振頻率的表達式為：其中，無阻尼自然振蕩頻率阻尼系數(shù)光電接收器的傳輸特性曲線在諧振頻率f_r1處有一個峰值增益；

(5)設(shè)定步驟(4)光電接收器出現(xiàn)峰值增益的頻率點，畫出接收器的傳輸特性曲線，結(jié)合可見光通信系統(tǒng)發(fā)射模塊的預(yù)均衡電路，得到整個通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線及3dB帶寬；

(6)根據(jù)步驟(5)計算得到的3dB帶寬和設(shè)計目標(biāo)值的差異，重新設(shè)定光電接收器出現(xiàn)峰值增益的頻率點，重復(fù)步驟(5)和步驟(6)，直至得到符合設(shè)計目標(biāo)的3dB帶寬值；

(7)由步驟(6)設(shè)定的頻率點，以及步驟(4)中諧振頻率的表達式，計算相應(yīng)的反饋電阻R_F。

進一步實施地，所述的反饋電容的容值由下面的公式確定：其中f_GBWP是0dB穿越頻率，通過查詢運算放大器的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊可以得到；R_F是反饋電阻值；C_s是光電接收器的寄生電容。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型側(cè)重光電接收器上的優(yōu)化設(shè)計，不需要額外的后均衡電路，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，而且由于所需元器件較少可實現(xiàn)較高的集成度。

附圖說明

圖1是實例中用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器電路圖。

圖2是實例中LED可見光通信系統(tǒng)的原理框圖。

圖3是沒有預(yù)均衡電路時可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線。

圖4是有預(yù)均衡電路時可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實例對本實用新型的具體實施作進一步說明，但本實用新型的實施和保護不限制于此。

本實例的提高可見光通信中高頻增益的光電接收器，如圖1所示，包括電源去耦電路1、光電二極管2、光電二極管的偏置濾波電路3、運算放大器4、運算放大器的偏置補償電路5、運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)6和輸出阻抗匹配電路7。

所述電源去耦電路是雙電容并聯(lián)去耦電路。運算放大器采用雙電源供電，供電電壓是+5V和‐5V。為了減小電源噪聲對運算放大器的影響，本實用新型采取雙電容并聯(lián)去耦電路。由于實際電容中寄生參數(shù)的影響，使得電容的阻抗并非如理論分析那樣單調(diào)地隨著頻率的增加而減小，而是呈現(xiàn)V字型；當(dāng)頻率增加到一定值之后，阻抗又會隨著頻率的增加而上升。為了使旁路電容在比較寬的頻率范圍內(nèi)都有比較低的交流阻抗，本實用新型將一大一小兩個電容進行并聯(lián)再接在電源和地之間。電路中兩種電容分別選擇10uF～100uF和10nF～100nF。

所述光電二極管采用反向偏置。光電二極管負端接在運算放大的反相輸入端，電壓約等于0，光電二極管的正端接在低于0V的電壓上。光電二極管處于反偏狀態(tài)，可以減小光電二極管的寄生電容，從而提高光電接收器的帶寬。

所述光電二極管的偏置濾波電路的作用是減少噪聲，降低誤差。在光電二極管的正端和‐5V電壓之間接入濾波電阻R_B，在光電二極管的正端和地之間接入電容C_B。這種濾波器設(shè)計有兩個原則：R_B<<R_F，C_B>>C_S，其中R_F是運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電阻；Cs是光電接收器的輸入寄生電容，包含光電二極管的寄生電容、運算放大器的共模輸入電容和輸入放大器的差模輸入電容。這樣既保證了偏置電壓的傳輸，又可以大大降低交流噪聲。

所述運算放大器的偏置補償電路包含一個補償電阻和一個補償電容。補償電阻和補償電容并聯(lián)，二者的一端接在運算放大器的同相輸入端，另一端接在地上。補償電阻是為了減小運算放大器的輸入電流引起的偏置效應(yīng)。運算放大器的輸入電流I_B‐流過反饋電阻R_F時會產(chǎn)生一個輸出偏置分量I_B-·R_F。光電二極管通常會與R_F配合使用，因此會產(chǎn)生一個顯著的漂移量；而且由于I_B‐的溫度系數(shù)，這個漂移量會表現(xiàn)出較大的溫度漂移。如果要補償這種漂移，就應(yīng)使補償電阻R_c＝R_F(R_F是運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電阻)。在R_c兩端并聯(lián)一個電容，可降低R_c兩端的噪聲，抑制放大器輸入電流引起的偏置誤差。這個電容可取一個較大的值，例如1uF～10uF。

所述的運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)，包括一個反饋電阻和一個反饋電容。

所述的反饋電阻一端接在運算放大器的反向輸入端，另一端接在運算放大器的輸出端口；反饋電阻的阻值由下面的步驟確定：

(1)、通過查詢產(chǎn)品技術(shù)手冊得到光電二極管的寄生電容C_D，運算放大器的共模輸入電容C_M和差模輸入電容C_DIFF，計算出光電接收器的寄生電容C_S＝C_D+C_CM+C_DIFF。

(2)、通過運算放大器開環(huán)增益曲線得到開環(huán)增益函數(shù)中的直流增益K和時間常數(shù)τ₁，計算出運算放大器的開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)其中s＝j(luò)·2πf，f是通信系統(tǒng)中信號的頻率，j是虛數(shù)單位。

(3)、根據(jù)光電接收器傳遞函數(shù)的表達式結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的表達式(其中R_F是反饋電阻)和步驟(2)中運算放大器的開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)A_OL的表達式，可以得到光電接收器傳遞函數(shù)的表達式：(其中τ₂＝R_F·C_S)。

(4)根據(jù)自動控制理論中的振蕩環(huán)節(jié)，得到光電接收器傳遞函數(shù)的諧振頻率的表達式為：(其中，無阻尼自然振蕩頻率阻尼系數(shù)光電接收器的傳輸特性曲線在諧振頻率f_r1處有一個峰值增益。

(5)設(shè)定步驟(4)光電接收器出現(xiàn)峰值增益的頻率點，畫出接收器的傳輸特性曲線，結(jié)合可見光通信系統(tǒng)發(fā)射模塊的預(yù)均衡電路，得到整個通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線及3dB帶寬。

(6)根據(jù)步驟(5)計算得到的3dB帶寬和設(shè)計目標(biāo)值的差異，重新設(shè)定光電接收器出現(xiàn)峰值增益的頻率點，重復(fù)步驟(5)和步驟(6)，直至符合設(shè)計目標(biāo)的3dB帶寬值。

(7)由步驟(6)設(shè)定的頻率點，以及步驟(4)中諧振頻率的表達式，計算相應(yīng)的反饋電阻R_F。

所述的反饋電容與反饋電阻并聯(lián)。反饋電容的容值由下面的公式確定：(其中f_GBWP是0dB穿越頻率，通過查詢運算放大器的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊可以得到；R_F是反饋電阻值；C_s是光電接收器的寄生電容)。

所述輸出阻抗匹配電路是在運算放大器的輸出端接一個50Ω電阻，這主要是為了與下一級電路或者儀器之間進行阻抗匹配。

本實例設(shè)計選用的光電二極管型號是濱松s5972，選用的運算放大器型號是德州儀器OPA847。從濱松s5972光電二極管的技術(shù)手冊可知，當(dāng)施加反向偏壓時，光電二極管的寄生電容C_D約3pF。從德州儀器OPA847運算放大器的技術(shù)手冊可知，共模輸入電容C_M約1.7pF，差模輸入電容C_DIFF約2pF；并且從運算放大器的開環(huán)增益曲線推算出直流增益K＝31622，時間常數(shù)τ₁＝2.274×10^-6s。將以上數(shù)值帶入光電接收器傳遞函數(shù)的諧振頻率的表達式：由于ω_n1(τ₁,τ₂,K)和ζ₁(τ₁,τ₂,K)是τ₁、τ₂和K的函數(shù)，其中τ₁和K是已知常數(shù)，而τ₂＝R_F·C_S，所以f_r1(R_F)是R_F的函數(shù)。將峰值頻率f_r1設(shè)置為某一個特性頻率，即可解出唯一的未知量R_F。通過比較計算得到的3dB帶寬和設(shè)計目標(biāo)值的差異，經(jīng)過多次調(diào)整，得到：當(dāng)R_F＝1KΩ，諧振頻率約為216MHz。此時，反饋電容C_F＝0.5pF。

如圖2是LED可見光通信系統(tǒng)的原理框圖，其中包含信號源、LED驅(qū)動電路、預(yù)均衡電路、耦合樹、透鏡組和光電接收器。直流驅(qū)動和交流信號(網(wǎng)絡(luò)分析儀提供)通過耦合樹注入LED(OSRAM LB‐H9GP)使之發(fā)光，光路上有一對透鏡(焦距3cm)聚焦光束增加傳輸距離，光電接收器將光轉(zhuǎn)化為電并連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，測得可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線如圖3和圖4所示。

如圖3，與普通的光電接收器相比，使用本實用新型的設(shè)計方法后，設(shè)定反饋電阻R_F＝1KΩ時，在諧振頻率216MHz處出現(xiàn)增益峰值；在在反饋電阻R_F上并聯(lián)一個反饋電容C_F＝0.5pF時，在諧振頻率216MHz處出現(xiàn)的增益峰值有所降低。如圖4所示，圖中點2是處于增益曲線平坦區(qū)域的參考頻率點，圖中點1是比點2增益低3dB的頻率點。使用本實用新型提供的光電接收器設(shè)計方法后，結(jié)合預(yù)均衡電路，可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線的3dB帶寬高達230MHz。