劉正翔

(福州職業(yè)技術學院 機器人學院，福州 350108)

0 引言

紅外通信是將紅外光作為傳遞信息的載體，將二進制數(shù)字(基帶)信號調制成某個頻段的脈沖信號，并控制紅外發(fā)射二極管的通斷來發(fā)射紅外光脈沖信號.接收端通過光電二極管將紅外光信號轉成電信號，并經(jīng)過放大、解調等處理還原二進制信號.由于紅外裝置的低成本、低功耗等優(yōu)點，現(xiàn)在幾乎所有的家用音視頻設備遙控均通過紅外通信方式進行控制[1].目前，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會IrDA發(fā)布了紅外通信標準，對應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，受限于發(fā)射管半導體PN結輻射紅外光的響應時間，其“熄滅”延遲特性明顯，即紅外光在該速率發(fā)射時無法完全“熄滅”，端電壓無法快速降低至零，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紅外通信的驅動電路改進，從發(fā)射管內(nèi)部PN結載流子運動分析，對傳統(tǒng)驅動電路進行改進，并設計紅外接收電路，搭建紅外通信系統(tǒng)進行實驗分析.

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[3]，如圖1所示，當使用三極管驅動時，隨著基極輸入脈沖的頻率增高，會出現(xiàn)IRED還未完全“熄滅”，下一周期高電平已到來，進入下一次“亮”的過程.即：其端電壓還未下降至低電平，又立即上升為高電平，這將直接導致紅外發(fā)射信號的“1”和“0”變得“模糊”，進而嚴重影響信息傳輸可靠性.

圖1 輸入頻率增大與發(fā)射頻率受限分析說明圖

從載流子運動角度來分析，即當IRED兩端附加電壓時，根據(jù)肖克萊(W.Shockley)的PN結理論，外加正偏電壓時，結電容變大，使得存儲的載流子增多.當外加電壓突然消失，結電容無法瞬間釋放載流子，導致載流子依舊微弱復合，發(fā)出弱光[4].要解決該問題，需要在正偏電壓消失的瞬間，盡可能清除剩余載流子，使得結電容及時“放電”，其端電壓即可快速降為零.

2 紅外發(fā)射驅動電路設計

本文設計在IRED外加正偏電壓消失的瞬間，使其接入一個回路，并引到接地，從而最大限度使得結電容釋放載流子.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溝道場效應管Q1和IRED發(fā)射管組成，載流子清除電路由P溝道場效應管Q2和Q3組成載流子釋放回路.當輸入高脈沖，開啟Q1，IRED管發(fā)射紅外光，此時Q2、Q3關閉，不影響IRED發(fā)射紅外光.當輸入低脈沖，Q1關閉，Q2、Q3開啟，使得IRED接入由“3.3 V—Q2—IRED—Q3—GND”組成的接地回路，結電容中的載流子將被清除.

圖2 IRED高速驅動電路

圖3 紅外發(fā)射管驅動電路實物圖

二極管D1用于當?shù)兔}沖時短路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響應時間要求較為嚴格，因此每個元器件參數(shù)的篩選均需要嚴格達到響應時間的要求.本設計選擇的N溝道場效應管Q1是2N7002，最大開關響應時間為25 ns；所選P溝道場效應管Q2是TP0610K，最大開關響應時間55 ns，即所選的2個MOS管開關頻率至少可達到10 MHz以上，滿足MIR通信的1.152 Mbps速率.

驅動紅外發(fā)射管的電源為+5 V，但考慮到PN結反向電壓不可過高，因此載流子清除電路的電源設定為3.3 V.當載流子清除電路開啟，IRED反向電壓約0.66 V，不會對IRED正常工作造成影響.

3 紅外接收電路設計

紅外接收電路目前比較成熟[5]，本設計采用高速、高靈敏度光電二極管BPX65接收紅外信號，其能檢測的上升下降時間典型值達10 ns，滿足信號接收實驗要求；采用超低噪聲、高精度單片運算放大器OPA37GP芯片，其典型帶寬達到63 MHz，滿足信號接收實驗要求.選用以上芯片設計如圖4所示的PIN接收電路.

圖4 BPX65接收電路原理圖

圖5 BPX65接收電路實物圖

4 實驗與分析

4.1 實驗裝置

實驗裝置如圖6所示，輸入脈沖信號源由函數(shù)信號發(fā)生器(型號：安泰信ATF20F)產(chǎn)生，最高可產(chǎn)生20 MHz信號(也可使用STM32開發(fā)板GPIO引腳提供脈沖波形)；由于實驗需要同時用到2個電壓，因此使用STM32開發(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100 MHz帶寬、采樣率達1 G/s.以上實驗設備滿足本實驗要求.

圖6 實驗裝置(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，使用為1/4比特位寬調制，即發(fā)送“0”時，占NRZ碼1/4寬度的高電平；發(fā)送“1”時，全低電平.例如發(fā)送01101010100的NRZ信號，則對應的1.152 Mbps調制信號如圖7所示.

圖7 1.152 Mbps調制碼元圖

通過分析圖7得知，紅外二極管的最大發(fā)射頻率為當NRZ碼全“0”時，1.152 Mbps調制信號頻率為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也可滿足要求.因此本實驗采用信號源產(chǎn)生頻率為1.152 MHz的方波信號，方波高電平驅動場效應管Q1開啟，控制IRED發(fā)射紅外光.低電平關閉Q1，開啟Q2、Q3，開啟載流子清除工作.

4.3 實驗數(shù)據(jù)分析4.3.1 仿真與驅動電路測試

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

圖8 驅動電路仿真波形對比(Simulation)

經(jīng)實測電路驗證，采用2N7002通斷開關驅動IRED發(fā)射紅外信號，開關頻率為1.152 MHz，其端電壓波形如圖9中的墨綠色曲線所示.

圖9 載流子清除電路關閉的端電壓波形(Measured)

關閉載流子清除電路時，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(實測約2.85 V).使用載流子清除電路后(紅色曲線)，端電壓則快速從高電平降為零，下降時間小于50 ns，達到了“熄滅”的效果.

4.3.2 接收信號分析

接收實驗對IrDA規(guī)范中的MIR速率(0.576 Mbps和1.152 Mbps)分別做了測試.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)，因此通信距離設定為約4 cm(周邊光線暗環(huán)境下)，通過實驗測試在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波形中的紫色曲線為發(fā)送端波形，棕褐色曲線為經(jīng)過BPX65接收并由OPA37放大后的波形.由圖可見，該兩個速率傳輸時，接收信號略有波紋，但均能完好地傳輸紅外信號，因此本設計驅動路滿足IrDA規(guī)范中的MIR速率較高速傳輸.

5 結語

本文從載流子運動角度分析問題，對紅外發(fā)射二極管在IrDA規(guī)范中的MIR速率下的“熄滅”延遲特性問題進行分析，對傳統(tǒng)紅外發(fā)射電路進行改進，并在MIR速率下進行測試.實驗通過輸入1.152 Mbps的方波信號，對比載流子清除電路開啟和關閉下的工作狀態(tài).結果表明，本文設計的載流子清除電路，在IRED附加正偏電壓，載流子清除電路不會影響發(fā)射紅外光；當正偏電壓消失，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.