劉正翔

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院，福州 350108)

0 引言

紅外通信是將紅外光作為傳遞信息的載體，將二進(jìn)制數(shù)字(基帶)信號(hào)調(diào)制成某個(gè)頻段的脈沖信號(hào)，并控制紅外發(fā)射二極管的通斷來(lái)發(fā)射紅外光脈沖信號(hào).接收端通過(guò)光電二極管將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大、解調(diào)等處理還原二進(jìn)制信號(hào).由于紅外裝置的低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在幾乎所有的家用音視頻設(shè)備遙控均通過(guò)紅外通信方式進(jìn)行控制[1].目前，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IrDA發(fā)布了紅外通信標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)4種通信速率[2]，其中MIR支持0.576 Mbps和1.152 Mbps速率傳輸.本文研究MIR中1.152 Mbps速率在紅外通信中的傳輸，在大于該速率時(shí)，受限于發(fā)射管半導(dǎo)體PN結(jié)輻射紅外光的響應(yīng)時(shí)間，其“熄滅”延遲特性明顯，即紅外光在該速率發(fā)射時(shí)無(wú)法完全“熄滅”，端電壓無(wú)法快速降低至零，因此，提升紅外光通信系統(tǒng)的傳輸速率仍有一定困難.

本文研究1.152 Mbps紅外通信的驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn)，從發(fā)射管內(nèi)部PN結(jié)載流子運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)紅外接收電路，搭建紅外通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析.

1 紅外發(fā)射速率受限原因分析

IRED通常是由紅外輻射效率高的砷化鎵GaAs制成二極管PN結(jié)[3]，如圖1所示，當(dāng)使用三極管驅(qū)動(dòng)時(shí)，隨著基極輸入脈沖的頻率增高，會(huì)出現(xiàn)IRED還未完全“熄滅”，下一周期高電平已到來(lái)，進(jìn)入下一次“亮”的過(guò)程.即：其端電壓還未下降至低電平，又立即上升為高電平，這將直接導(dǎo)致紅外發(fā)射信號(hào)的“1”和“0”變得“模糊”，進(jìn)而嚴(yán)重影響信息傳輸可靠性.

圖1 輸入頻率增大與發(fā)射頻率受限分析說(shuō)明圖

從載流子運(yùn)動(dòng)角度來(lái)分析，即當(dāng)IRED兩端附加電壓時(shí)，根據(jù)肖克萊(W.Shockley)的PN結(jié)理論，外加正偏電壓時(shí)，結(jié)電容變大，使得存儲(chǔ)的載流子增多.當(dāng)外加電壓突然消失，結(jié)電容無(wú)法瞬間釋放載流子，導(dǎo)致載流子依舊微弱復(fù)合，發(fā)出弱光[4].要解決該問(wèn)題，需要在正偏電壓消失的瞬間，盡可能清除剩余載流子，使得結(jié)電容及時(shí)“放電”，其端電壓即可快速降為零.

2 紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)在IRED外加正偏電壓消失的瞬間，使其接入一個(gè)回路，并引到接地，從而最大限度使得結(jié)電容釋放載流子.具體電路如圖2所示，由IRED紅外發(fā)射電路及載流子清除電路組成.IRED紅外發(fā)射電路由N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1和IRED發(fā)射管組成，載流子清除電路由P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q3組成載流子釋放回路.當(dāng)輸入高脈沖，開(kāi)啟Q1，IRED管發(fā)射紅外光，此時(shí)Q2、Q3關(guān)閉，不影響IRED發(fā)射紅外光.當(dāng)輸入低脈沖，Q1關(guān)閉，Q2、Q3開(kāi)啟，使得IRED接入由“3.3 V—Q2—IRED—Q3—GND”組成的接地回路，結(jié)電容中的載流子將被清除.

圖2 IRED高速驅(qū)動(dòng)電路

圖3 紅外發(fā)射管驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖

二極管D1用于當(dāng)?shù)兔}沖時(shí)短路C5，使得Q1的GS端寄生電容更快放電.由于載流子清除電路對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較為嚴(yán)格，因此每個(gè)元器件參數(shù)的篩選均需要嚴(yán)格達(dá)到響應(yīng)時(shí)間的要求.本設(shè)計(jì)選擇的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1是2N7002，最大開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間為25 ns；所選P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q2是TP0610K，最大開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間55 ns，即所選的2個(gè)MOS管開(kāi)關(guān)頻率至少可達(dá)到10 MHz以上，滿(mǎn)足MIR通信的1.152 Mbps速率.

驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管的電源為+5 V，但考慮到PN結(jié)反向電壓不可過(guò)高，因此載流子清除電路的電源設(shè)定為3.3 V.當(dāng)載流子清除電路開(kāi)啟，IRED反向電壓約0.66 V，不會(huì)對(duì)IRED正常工作造成影響.

3 紅外接收電路設(shè)計(jì)

紅外接收電路目前比較成熟[5]，本設(shè)計(jì)采用高速、高靈敏度光電二極管BPX65接收紅外信號(hào)，其能檢測(cè)的上升下降時(shí)間典型值達(dá)10 ns，滿(mǎn)足信號(hào)接收實(shí)驗(yàn)要求；采用超低噪聲、高精度單片運(yùn)算放大器OPA37GP芯片，其典型帶寬達(dá)到63 MHz，滿(mǎn)足信號(hào)接收實(shí)驗(yàn)要求.選用以上芯片設(shè)計(jì)如圖4所示的PIN接收電路.

圖4 BPX65接收電路原理圖

圖5 BPX65接收電路實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，輸入脈沖信號(hào)源由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)：安泰信ATF20F)產(chǎn)生，最高可產(chǎn)生20 MHz信號(hào)(也可使用STM32開(kāi)發(fā)板GPIO引腳提供脈沖波形)；由于實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)用到2個(gè)電壓，因此使用STM32開(kāi)發(fā)板上的5 V和3.3 V電壓.示波器選用優(yōu)利德UTD2102CM，其帶寬達(dá)100 MHz帶寬、采樣率達(dá)1 G/s.以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)要求.

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置(方案)示意圖

4.2 傳輸速率與發(fā)射頻率的換算

根據(jù)IrDA規(guī)范要求[6]，傳輸速率為1.152 Mbps時(shí)，使用為1/4比特位寬調(diào)制，即發(fā)送“0”時(shí)，占NRZ碼1/4寬度的高電平；發(fā)送“1”時(shí)，全低電平.例如發(fā)送01101010100的NRZ信號(hào)，則對(duì)應(yīng)的1.152 Mbps調(diào)制信號(hào)如圖7所示.

圖7 1.152 Mbps調(diào)制碼元圖

通過(guò)分析圖7得知，紅外二極管的最大發(fā)射頻率為當(dāng)NRZ碼全“0”時(shí)，1.152 Mbps調(diào)制信號(hào)頻率為1.152 MHz的方波脈沖，占空比為1∶3.即，若以1.152 MHz、半占空比的方波脈沖能可靠發(fā)射，則IrDA規(guī)范的1.152 Mbps也可滿(mǎn)足要求.因此本實(shí)驗(yàn)采用信號(hào)源產(chǎn)生頻率為1.152 MHz的方波信號(hào)，方波高電平驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1開(kāi)啟，控制IRED發(fā)射紅外光.低電平關(guān)閉Q1，開(kāi)啟Q2、Q3，開(kāi)啟載流子清除工作.

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析4.3.1 仿真與驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試

根據(jù)上述第1小節(jié)理論分析，關(guān)閉(OFF)載流子清除電路時(shí)，IRED端電壓無(wú)法降為零，即結(jié)電容電壓無(wú)法降為零，也就無(wú)法完全“熄滅”.在開(kāi)啟(ON)載流子清除電路時(shí)，端電壓快速下降為零，電路仿真結(jié)果如圖8所示.

圖8 驅(qū)動(dòng)電路仿真波形對(duì)比(Simulation)

經(jīng)實(shí)測(cè)電路驗(yàn)證，采用2N7002通斷開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)IRED發(fā)射紅外信號(hào)，開(kāi)關(guān)頻率為1.152 MHz，其端電壓波形如圖9中的墨綠色曲線(xiàn)所示.

圖9 載流子清除電路關(guān)閉的端電壓波形(Measured)

關(guān)閉載流子清除電路時(shí)，發(fā)射二極管端電壓僅下降了約0.6 V，即又上升為高電平(實(shí)測(cè)約2.85 V).使用載流子清除電路后(紅色曲線(xiàn))，端電壓則快速?gòu)母唠娖浇禐榱?，下降時(shí)間小于50 ns，達(dá)到了“熄滅”的效果.

4.3.2 接收信號(hào)分析

接收實(shí)驗(yàn)對(duì)IrDA規(guī)范中的MIR速率(0.576 Mbps和1.152 Mbps)分別做了測(cè)試.使用的紅外發(fā)射二極管為歐司朗LD274，發(fā)射功率較低(165 mW)，因此通信距離設(shè)定為約4 cm(周邊光線(xiàn)暗環(huán)境下)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在0.576 Mbps和1.152 Mbps速率下的收發(fā)波形如圖10、圖11所示.

圖10 速率為0.576 Mbps的收發(fā)波形(Measured)

圖11 速率為1.152 Mbps的收發(fā)波形(Measured)

圖10和圖11波形中的紫色曲線(xiàn)為發(fā)送端波形，棕褐色曲線(xiàn)為經(jīng)過(guò)BPX65接收并由OPA37放大后的波形.由圖可見(jiàn)，該兩個(gè)速率傳輸時(shí)，接收信號(hào)略有波紋，但均能完好地傳輸紅外信號(hào)，因此本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)路滿(mǎn)足IrDA規(guī)范中的MIR速率較高速傳輸.

5 結(jié)語(yǔ)

本文從載流子運(yùn)動(dòng)角度分析問(wèn)題，對(duì)紅外發(fā)射二極管在IrDA規(guī)范中的MIR速率下的“熄滅”延遲特性問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)紅外發(fā)射電路進(jìn)行改進(jìn)，并在MIR速率下進(jìn)行測(cè)試.實(shí)驗(yàn)通過(guò)輸入1.152 Mbps的方波信號(hào)，對(duì)比載流子清除電路開(kāi)啟和關(guān)閉下的工作狀態(tài).結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的載流子清除電路，在IRED附加正偏電壓，載流子清除電路不會(huì)影響發(fā)射紅外光；當(dāng)正偏電壓消失，IRED端電壓狀態(tài)得到了較大改善，在正占空比幾乎不變的情況下，端電壓下降時(shí)間小于50 ns，一定程度上保證了紅外發(fā)射二極管的可靠通信.