ECL電源開關(guān)的應(yīng)用研究

　　在光纖通信系統(tǒng)中，信息由LED或LD發(fā)出的光波所攜帶，光波就是載波。

　　把信息加載到光波上的過程就是調(diào)制。光調(diào)制方式按調(diào)制信號(hào)的形式可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制。目前，數(shù)字調(diào)制是光纖通信的主要調(diào)制方式，也就是通常的PCM編碼調(diào)制，以二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“1”或“0”對光載波進(jìn)行通斷調(diào)制，并進(jìn)行脈沖編碼(PCM)。數(shù)字調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，中斷時(shí)噪聲及色散的影響不積累，因此可實(shí)現(xiàn)大容量、長距離傳輸。

　　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)光二級管(LED)、激光二級管(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，其工作原理對單輸入雙端輸出的差分放大器非常相似，但它只對信號(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

　　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。如果圖3中采用兩級差分電流開關(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。