基于可見光通信的LED載流子清除電路設(shè)計(jì)

劉正翔，陳建國(guó)，王洪麗

(1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院，福建 福州 350108；2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

自Tanaka等[1]提出可見光通信(VLC)技術(shù)以來，由于其不占用傳統(tǒng)無線通信頻帶，且綠色環(huán)保、保密性好，使得該技術(shù)得到飛速發(fā)展?？梢姽馔ㄐ攀褂每煽氐?、快速閃爍的LED傳輸信息，由于人眼無法感知其高速閃爍狀態(tài)，使得LED既可用于照明，又有快速傳輸信息的功能[2-3]。遲楠等[4]總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外的可見光通信研究進(jìn)展時(shí)指出可見光通信急待解決的問題之一就是如何提高LED調(diào)制帶寬和系統(tǒng)傳輸速率。Tanaka等[5-6]也意識(shí)到LED調(diào)制帶寬受限，且在頻率較高情況下，LED無法完全熄滅是因?yàn)檩d流子無法及時(shí)釋放，導(dǎo)致LED端電壓無法快速下降。為解決該問題，Tanaka設(shè)計(jì)了一種用于可見光通信的高速LED載流子清除電路，在LED熄滅瞬間導(dǎo)通MOS管，使LED正負(fù)端短路而形成載流子快速釋放回路。該設(shè)計(jì)雖然可快速縮短LED端電壓下降時(shí)間，但該電路使用3個(gè)大功率高速M(fèi)OS管驅(qū)動(dòng)LED，不僅價(jià)格昂貴，且功耗較大。隨后Halbritter等[7]提出一種基于電容峰值技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路，雖然也可快速釋放載流子，但該電路為獲取峰值瞬間電流，要求電路具有較大電流，被動(dòng)增加電路復(fù)雜度，且為防止LED被擊穿，需內(nèi)部封裝ESD保護(hù)。

目前，國(guó)內(nèi)在利用載流子清除方法來改善LED驅(qū)動(dòng)電路性能的研究比較少。謝鑫[8]雖然指出載流子清除電路可用于增加傳輸速率，但并未深入研究該部分內(nèi)容。夏忠金[9]主要研究Tanaka設(shè)計(jì)之電路在藍(lán)光、紫光LED下的載流子清除性能，但未對(duì)降低成本與功耗方面做深入研究。為了獲得較低成本和功耗的LED驅(qū)動(dòng)電路，本研究在不額外增加MOS管的情況下，設(shè)計(jì)了LED改進(jìn)電路，在LED熄滅瞬間即接入載流子釋放回路(短路)，可使LED快速完全熄滅，進(jìn)而提升系統(tǒng)性能。

1 LED發(fā)射速率受限原因分析

當(dāng)LED內(nèi)部PN結(jié)附加的正偏電壓增大至PN結(jié)的接觸電勢(shì)差UD(1.7～2.0 V)，耗盡區(qū)寬度減小為零。若正偏電壓繼續(xù)增大，P區(qū)空穴和N區(qū)自由電子即可越過PN結(jié)，進(jìn)行空穴與自由電子的復(fù)合而釋放出光能。正是由于自由電子與空穴(載流子)的運(yùn)動(dòng)，形成了結(jié)電容，單位面積結(jié)電容計(jì)算如式(1)、式(2)[10]所示。

(1)

(2)

式中：Na和Nd分別是P型和N型半導(dǎo)體摻雜濃度；e為1.6×10-19C；ε是材料介電系數(shù)；U是LED的正偏電壓?？紤]到給定材料的LED參數(shù)e、ε、Na、Nd均為常量，設(shè)為A，由此得到式(2)所示單位面積結(jié)電容表達(dá)式。對(duì)給定的LED，PN結(jié)接觸電勢(shì)差UD為某固定值，根據(jù)式(2)可知，LED正偏電壓U增大，則結(jié)電容變大。也即LED附加正脈沖電壓，結(jié)電容快速增大，載流子數(shù)量隨之達(dá)到最大值。此時(shí)若LED端電壓突然消失，式(2)的結(jié)電容理論上變?yōu)樽钚。珜?shí)際LED中的載流子無法快速釋放，LED端電壓也就無法快速降為零，導(dǎo)致LED實(shí)際無法真正熄滅，所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率增大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)LED還未熄滅，下一周期的高脈沖已驅(qū)動(dòng)LED再點(diǎn)亮，因此，要使得LED端電壓快速降為零(即LED完全熄滅)，需要及時(shí)清除結(jié)電容里的載流子。

2 現(xiàn)有載流子清除電路分析

作為可見光通信技術(shù)的提出者之一，Tanaka等為提高LED調(diào)制速率進(jìn)行了大量的研究工作，在載流子清除驅(qū)動(dòng)電路方面，提出在LED熄滅瞬間，使其接入一個(gè)短路(回路)來釋放載流子[5]，如圖1所示。左半部分是傳統(tǒng)的Q1驅(qū)動(dòng)LED電路，右邊綠色實(shí)線方框內(nèi)是載流子清除電路部分。

圖1 LED載流子清除電路Fig.1 LED circuit with drawing-out of carrier

Q3控制Q2，發(fā)送Q1的反相電壓至Q2。當(dāng)Vin驅(qū)動(dòng)LED輸入高電平時(shí)，Q1、Q3導(dǎo)通，LED亮，同時(shí)Q2關(guān)閉，即載流子回路斷開。因此該電路不影響LED點(diǎn)亮操作。當(dāng)Vin輸入低電平，Q1、Q3關(guān)閉，LED熄滅，此時(shí)Q2導(dǎo)通，LED被短路，即提供一個(gè)釋放載流子的通道。電路看似簡(jiǎn)單，卻使得LED熄滅瞬間，接收端電壓波形下降沿時(shí)間從56 ns下降為10 ns。然而，該電路在傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上增加2個(gè)大功率分立高頻器件MGF2407A(Q2和Q3)，該器件價(jià)格昂貴，雖然能有效清除載流子，但也因此增加了電路的功耗。

3 改進(jìn)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 載流子清除電路改進(jìn)

為盡可能減小功耗，設(shè)計(jì)去掉圖1中的Q2和Q3元件。Q1既用于驅(qū)動(dòng)LED，同時(shí)也作為其熄滅瞬間的短接回路，電路圖如圖2所示。當(dāng)Vin輸入低電平，Q1關(guān)閉，由VCC經(jīng)R2電阻點(diǎn)亮LED。由于Q1關(guān)閉，此時(shí)并不影響LED點(diǎn)亮。當(dāng)Vin輸入高電平，Q1導(dǎo)通，LED被短路，LED瞬間熄滅，載流子快速流入GND，即達(dá)到快速清除載流子目的。

圖2 改進(jìn)電路設(shè)計(jì)圖Fig.2 The improved circuit in this paper

考慮到MOS管的GS端懸空可能會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)導(dǎo)通，甚至損壞MOS管。因此接入R4以防止漏極電壓通過寄生電容直接灌到柵極，導(dǎo)致MOS損壞。同時(shí)改進(jìn)電路使用二極管D1和電阻C3并聯(lián)，使得在Vin電壓為高電平時(shí)，通過隔直電容C3，打開Q1。Vin拉低時(shí)，Q1關(guān)閉，電容C3被二極管D1短路，加快寄生電容放電，也縮短Q1的關(guān)閉時(shí)間，有利于高速開關(guān)管更快工作。

實(shí)驗(yàn)中的元器件需根據(jù)實(shí)際電路精準(zhǔn)選取，對(duì)應(yīng)元器件清單如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電路所用元器件清單Tab.1 List of components used for driving circuit

3.2 改進(jìn)電路的功率分析

為研究改進(jìn)電路的功率情況，使用Multisim測(cè)試LED驅(qū)動(dòng)頻率在1 kHz～100 MHz時(shí)，Tanaka設(shè)計(jì)的電路與改進(jìn)電路在功率方面的差異。測(cè)試圖2、圖3電路得到的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示?？梢?，隨著LED驅(qū)動(dòng)頻率的增大，兩個(gè)電路消耗功率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)頻率超過10 MHz 后，功率遞增量明顯加大，特別是在100 MHz 時(shí)，改進(jìn)電路相比于Tanaka電路，功率只有后者的38.36%。

表2 電路功率對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.2 Data of circuit power comparison

3.3 接收電路設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證改進(jìn)電路的通信效果，設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路[11]，采用光電二極管BPX65，其信號(hào)接收波形的上升沿/下降沿時(shí)間為12 ns；采用超低噪聲、高精度運(yùn)算放大器OPA37芯片，增益帶寬達(dá)到63 MHz，以上兩款芯片均滿足本實(shí)驗(yàn)需求，具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 BPX65接收電路原理圖Fig.3 Diagram of BPX65 receiving circuit

該設(shè)計(jì)只進(jìn)行光電檢測(cè)前置放大電路設(shè)計(jì)，將BPX65工作于反接短路方式，降低其暗電流，可得到較好的信噪比。為雜散噪聲，將R2并聯(lián)C2。R1提供增益，C1為消振電容[12]，與R1并聯(lián)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過程

使用電子設(shè)計(jì)大賽實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的電源模塊給收發(fā)兩端的電路板提供+5 V、+12 V、-12 V、GND。發(fā)射端脈沖驅(qū)動(dòng)序列從STM32開發(fā)板編程PC5引腳輸出(也可使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器)，信號(hào)輸出采用BNC雙頭公線連接至發(fā)射端。示波器型號(hào)選用優(yōu)利德UTD2102CM，帶寬達(dá)100 MHz、采樣率達(dá)1 G/s，實(shí)驗(yàn)設(shè)備可滿足本實(shí)驗(yàn)需求。發(fā)射端電路與接收電路測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental device

測(cè)試分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段測(cè)試 1 MHz 頻率下，改進(jìn)電路的載流子清除效果；第二階段進(jìn)行接收信號(hào)測(cè)試。兩個(gè)階段實(shí)驗(yàn)均對(duì)傳統(tǒng)LED電路(關(guān)閉載流子清除功能)，與改進(jìn)電路(打開載流子清除功能)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析相應(yīng)性能的改善。

4.2 LED端電壓測(cè)試

由于實(shí)驗(yàn)對(duì)電流(在PN結(jié)內(nèi)的載流子數(shù)量)較為敏感，因此示波器測(cè)試端電壓時(shí)，采用其兩個(gè)通道的正極探頭分別連接LED正、負(fù)極，負(fù)極探頭接地的方式，在示波器上做兩個(gè)通道信號(hào)的減法進(jìn)行測(cè)試端電壓。

為更好地對(duì)比波形，實(shí)驗(yàn)同樣測(cè)試了傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電路的端電壓波形，如圖5所示。黑色曲線為傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電路時(shí)的LED端電壓波形，紅色曲線為使用載流子清除電路時(shí)的波形。

圖5 傳統(tǒng)與改進(jìn)電路的LED端電壓對(duì)比Fig.5 Comparison of LED terminal voltage between traditional and improved circuits

可知，黑色曲線電壓約0.7 V，即為結(jié)電容無法快速釋放載流子在端電壓上的反映；紅色曲線波形則為較為規(guī)則的矩形脈沖波，端電壓波形下降沿陡峭，說明載流子清除較為及時(shí)。同時(shí)也可以看出，傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電路在1 MHz脈沖頻率時(shí)，下降沿時(shí)間甚至超過200 ns，而使用載流子清除改進(jìn)電路后，高電壓下降時(shí)間極短。

針對(duì)載流子清除電路中端電壓的上升、下降時(shí)間，如圖6、圖7所示，改進(jìn)電路的LED端電壓下降沿時(shí)間tf僅約15 ns，比傳統(tǒng)電路的下降沿時(shí)間200 ns有了很大改善；上升沿時(shí)間tr約20 ns，與傳統(tǒng)電路的上升時(shí)間幾乎相同。由此可知，改進(jìn)電路的載流子清除效果良好。

圖6 改進(jìn)電路LED端電壓下降沿時(shí)間Fig.6 The voltage drop time at LED terminal of the improved circuit

圖7 改進(jìn)電路LED端電壓上升時(shí)間Fig.7 The voltage rise time at LED terminal of the improved circuit

4.3 接收信號(hào)下降/上升時(shí)間

為分析接收信號(hào)性能，設(shè)置發(fā)射頻率為1 MHz 脈沖，使用光電二極管BPX65接收，分別對(duì)傳統(tǒng)LED發(fā)射電路和載流子清除電路進(jìn)行測(cè)試，得到的接收端波形如圖8所示。為分析方便，黑色曲線為傳統(tǒng)LED電路發(fā)射的接收波形，記為A；紅色曲線為使用載流子清除改進(jìn)電路發(fā)射的接收波形，記為B；STM32開發(fā)板PC5引腳輸出的脈沖波形，記為C；由圖8可知，在接收端收到的B波形幅值明顯高于A波形，甚至較之高出近50%幅度。同時(shí)可以看出，B波形上升至高電平的時(shí)間與A波形相近，但下降沿時(shí)間明顯小于A波形。經(jīng)過發(fā)射、接收電路后得到的A、B波形，比原始脈沖波形C滯后約15 ns，收發(fā)波形的滯后性也將是后續(xù)電路改進(jìn)研究的方向之一。

圖8 開啟與關(guān)閉載流子清除電路的接收信號(hào)對(duì)比圖Fig.8 Comparison of received signals between opening and closing sweep-out carrier circuits

通過圖9所示波形的上升沿/下降沿時(shí)間詳細(xì)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電路的接收波形(OFF)和改進(jìn)電路的接收波形(ON)，其上升沿時(shí)間幾乎一致。但對(duì)電壓下降時(shí)間tf1和tf2進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用清除載流子改進(jìn)電路后，接收波形的下降沿時(shí)間縮短至約58 ns；不使用載流子清除電路則為85 ns，且該波形延時(shí)約40 ns才進(jìn)入下降沿時(shí)間，即相當(dāng)于用125 ns才降為低電平。

圖9 接收波形上升沿/下降沿時(shí)間對(duì)比圖Fig.9 Rise/drop time comparison of receiving waveform

5 結(jié)束語

通過分析現(xiàn)有的載流子清除電路，進(jìn)行電路改進(jìn)，將MOS管用于驅(qū)動(dòng)LED的同時(shí)，也作為載流子釋放回路，從而省掉了原電路中的2個(gè)MOS管，降低功耗，節(jié)省成本。使用該改進(jìn)電路進(jìn)行測(cè)試，得到的LED端電壓下降時(shí)間從傳統(tǒng)電路的200 ns，下降為約15 ns。接收端波形的下降沿時(shí)間也從85 ns下降為58 ns，系統(tǒng)性能得到提升。同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程也出現(xiàn)信號(hào)接收延遲問題，將在后續(xù)進(jìn)行深入研究。