ECL電源開關(guān)在數(shù)字光發(fā)射機(jī)調(diào)制電路中的應(yīng)用研究
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1 光發(fā)射機(jī)
簡單地講，光傳輸系統(tǒng)中一個(gè)基本的光發(fā)射機(jī)主要包括光發(fā)射器件及其驅(qū)動(dòng)電路。光發(fā)射器件有發(fā)光二級(jí)管（LED）、激光二級(jí)管（LD）或激光調(diào)制器（LM）；驅(qū)動(dòng)電路為系統(tǒng)光源提供合適的“開”、“關(guān)”電流。
1.1 數(shù)字光發(fā)射機(jī)基本結(jié)構(gòu)
在數(shù)字光纖通信中，激光發(fā)射機(jī)的主要組成部分如圖1所示。線路編碼的作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)拇a型。調(diào)制電路完成數(shù)字信號(hào)的電-光轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上，即光調(diào)制。而光調(diào)制的方式有三種：直接強(qiáng)度調(diào)制、間接強(qiáng)度調(diào)制和相干調(diào)制。光纖通信中常采用直接強(qiáng)度調(diào)制（適用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管），即通過直接控制發(fā)光二極管（LED）或激光二術(shù)管（LD）的注入電流產(chǎn)生所需的光數(shù)字信號(hào)，改變LD或LED的注入電流調(diào)整其輸出光功率，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。
理論上講，LED和LD都是電流控制的光發(fā)射器件，其中最重要的性能取決于它們的I-P特性，因此最直接的設(shè)計(jì)方法就是把驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成受輸入信號(hào)控制的電流源，并且必須提供具有規(guī)定強(qiáng)度和波形的電流。實(shí)際應(yīng)用中將雙極性晶體管或場效應(yīng)管（FET）作為電流輸出器件與光發(fā)射器件連接，形成電流驅(qū)動(dòng)器。常用的有單端電流驅(qū)動(dòng)器和射極耦合電流驅(qū)動(dòng)器。單端電流驅(qū)動(dòng)器的速度受晶體管和LED或LD的截止過程的影響，因而只能應(yīng)用在低比特率的場合。高比特率的電流驅(qū)動(dòng)器利用ECL（射極耦合邏輯）電路來設(shè)計(jì)，即數(shù)字調(diào)制電路中常用的射極耦合電流開關(guān)，其基本電路形式如圖2所示。
1.2 數(shù)字調(diào)制電路的基本工作原理
圖2所示的射極耦合電流開關(guān)實(shí)際上是一個(gè)一邊為固定輸入VBB,另一邊為信號(hào)輸入端的射極耦合差分級(jí)，其工作原理對(duì)單輸入雙端輸出的差分放大器非常相似，但它只對(duì)信號(hào)起傳遞作用。其工作原理是：當(dāng)Vin>VBB時(shí)，Q1管導(dǎo)通，Q2管截卡，電流全部流經(jīng)輸入管；當(dāng)Vin<VBB時(shí)，Q2管導(dǎo)通，Q1管截止，電流流經(jīng)激光器。從電流導(dǎo)通的情況看，相當(dāng)于一個(gè)電流開關(guān)，即電流型開關(guān)邏輯電路。其射極耦合端接高阻抗的恒流源，構(gòu)成深度負(fù)反饋，嗇了ECL電路的輸入阻抗，使晶體管可穩(wěn)定地工作在放大區(qū)。為了使輸入信號(hào)不受電源波動(dòng)的影響，常采用負(fù)電源（VEE=-5.2V）供電，而對(duì)管的集電極直接對(duì)地輸出（Vcc=0），種接法又極大地提高了電路的速度，改善了交流性能。
2 ECL電流開關(guān)的應(yīng)用
目前，筆者在一個(gè)高速數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用了ECL電流驅(qū)動(dòng)器其基本原理如圖3示。其中Q1、Q2、和Q5構(gòu)成基本的調(diào)制電路，Q3和Q4實(shí)現(xiàn)電平移位，集成器件MC10H124完成信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換（TTL→ECL）。MC10H124引腳功能如圖3所示，使用時(shí)需注意在ECL電平輸出腳（如圖中②、④腳）要通過50Ω電阻外接-2V電壓，未用的輸出腳通過50Ω電阻接地。從②或④腳輸出ECL電平信號(hào)，第⑥腳接公共選通電壓（這里接+4V電壓）。
2.1 ECL電路的主要特點(diǎn)
對(duì)激光器進(jìn)行高速脈沖調(diào)制時(shí)，常采用ECL電流開關(guān)。它既有很快的開關(guān)速度，又能保護(hù)良好的電流脈沖波形。從電路結(jié)構(gòu)上看，ECL屬于非飽和型數(shù)字邏輯，工作時(shí)晶體行之有效放大和截止兩上狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，不進(jìn)入飽和區(qū)，根除了TTL電路中晶體管由飽和到截卡（即由“開”到“關(guān)”）轉(zhuǎn)換時(shí)所需釋放超量存儲(chǔ)電荷的“存儲(chǔ)時(shí)間”，從根本上消除了限制速度的主要障礙——晶體管的飽和時(shí)間，極大地提高了ECL電路的速度，其平均延尺時(shí)間達(dá)到來納秒數(shù)量級(jí)。如果圖3中采用兩級(jí)差分電流開關(guān)并且雙邊驅(qū)動(dòng)，則既可改善電流脈沖的波形又可提高開關(guān)速度。
圖3中參考電壓VBB作為ECL電路的重要組成部分，通常取在ECL邏輯高、低電平的中心VBB=-1.3V(ECL)的邏輯高電平VOH=-0.8V，低電平VOL=-1.8V，使高、低電平的噪聲容限基本相等，電路在全工作溫度范圍內(nèi)噪聲容限的變化不會(huì)太大。VBB常與ECL電路共用負(fù)電源，在電阻分壓器的基礎(chǔ)上，利用二極管和射極跟隨器電平移位構(gòu)成。
2.2 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)及其抗干擾能力分析
在圖3所示電路中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電路中R1和R2的取值對(duì)電路抗干擾能力有重要的影響。在一定范圍內(nèi)，若R2不變，增大R1會(huì)使Q3基極輸入端信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍有所增大，即ECL電流開關(guān)的回差電壓（類似施密特觸發(fā)器）增大，確保VBB介于該范圍內(nèi)電流開關(guān)能正常工作，因此可以減小噪聲導(dǎo)致Q3基極輸入的ECL信號(hào)微小波動(dòng)而導(dǎo)致電流開關(guān)誤動(dòng)作。開關(guān)工作原理如本文1.2所述，以提高抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)證明，如果取R1≈10R2時(shí)，可使Q3基極輸入的ECL電平信號(hào)處于一個(gè)適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍內(nèi)，ECL電流開關(guān)具有較合適的回差電壓，而Q4基極的參考電壓VBB介于該范圍內(nèi)，則Q3基極的輸入信號(hào)能正?？刂萍す馄鱈D的驅(qū)動(dòng)電流。
如果去掉芯片MC10H124，理論上分析可知，Q3處于截止?fàn)顟B(tài)；但當(dāng)接上電平轉(zhuǎn)換器（MC10H124）后，由于輸出腳外接-2V電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果測得Q3基極電壓升高而工作于放大區(qū)。當(dāng)在MC10H124的信號(hào)輸入端⑤腳加上數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，測得Q3和Q1基極的信號(hào)如下，Vh3:-0.85V～-1.60V;Vb1:-2.20V～-3.00V,而Q4基極的參考電壓VBB=-1.3V,介于Vb3的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，測得Q2的基極電壓約為-2.60V,也處于Vb1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，因此該ECL電流開關(guān)能正常工作。
從上面分析可知，VBB保持穩(wěn)定是影響ECL電路性能的一個(gè)很重要的因素，它決定著電流開關(guān)的閥值電壓、輸出邏輯電平和抗干擾能力。如果由于某種原因造成VBB發(fā)生變化，則可能會(huì)使輸出邏輯混亂，而降低ECL電路的抗干擾能力。因此，只要保持ECL電流開關(guān)有一個(gè)適當(dāng)?shù)幕夭铍妷汉头€(wěn)定的開關(guān)閥值電壓VBB，則有利用提高系統(tǒng)的抗干擾能力。特別是電路工作在超高速情況下，這些問題尤為突出。
評(píng)論