摘 要： 分析了ECL電流開關(guān)" title="電流開關(guān)">電流開關(guān)在一個實用高速數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用，及其提高系統(tǒng)抗干擾能力的方法。
關(guān)鍵詞： 調(diào)制 光發(fā)射 ECL電流開關(guān)
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)制信號的形式可分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(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，以二進制數(shù)字信號“1”或“0”對光載波進行通斷調(diào)制，并進行脈沖編碼(PCM)。數(shù)字調(diào)制的優(yōu)點是抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現(xiàn)大容量、長距離傳輸。
1 光發(fā)射機
簡單地講，光傳輸系統(tǒng)中一個基本的光發(fā)射機主要包括光發(fā)射器" title="光發(fā)射器">光發(fā)射器件及其驅(qū)動電路。光發(fā)射器件有發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)或激光調(diào)制器(LM)；驅(qū)動電路為系統(tǒng)光源提供合適的“開”、“關(guān)”電流。
1.1 數(shù)字光發(fā)射機基本結(jié)構(gòu)
在數(shù)字光纖通信中，激光發(fā)射機的主要組成部分如圖1所示。線路編碼的作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)拇a型。調(diào)制電路" title="調(diào)制電路">調(diào)制電路完成數(shù)字信號的電—光轉(zhuǎn)換，將光信號加載到光源的發(fā)射光束上，即光調(diào)制。而光調(diào)制的方式有三種：直接強度調(diào)制、間接強度調(diào)制和相干調(diào)制。光纖通信中常采用直接強度調(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)或激光二極管(LD)的注入電流產(chǎn)生所需的光數(shù)字信號，改變LD或LED的注入電流調(diào)整其輸出光功率，實現(xiàn)光強度調(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)計方法就是把驅(qū)動器設(shè)計成受輸入信號控制的電流源，并且必須能提供具有規(guī)定強度和波形的電流。實際應(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)動器。常用的有單端電流驅(qū)動器和射極耦合電流驅(qū)動器。單端電流驅(qū)動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)動器利用ECL(射極耦合邏輯)電路來設(shè)計，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)實際上是一個一邊為固定輸入VBB，另一邊為信號輸入端的射極耦合差分級，其工作原理" title="工作原理">工作原理與單輸入雙端輸出的差分放大器非常相似，但它只對信號起傳遞作用。其工作原理是：當(dāng)Vin＞VBB時，Q1管導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通，Q2管截止，電流全部流經(jīng)輸入管；當(dāng)Vin＜VBB時，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，增加了ECL電路的輸入阻抗，使晶體管可穩(wěn)定地工作在放大區(qū)。為了使輸出信號不受電源波動的影響，常采用負(fù)電源(VEE=-5.2V)供電，而對管的集電極直接對地輸出(VCC=0)，這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，筆者在一個高速數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用了ECL電流驅(qū)動器，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實現(xiàn)電平移位，集成器件MC10H124完成信號的電平轉(zhuǎn)換(TTL→ECL)。MC10H124引腳功能如圖3所示，使用時需注意，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，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
對激光器進行高速脈沖調(diào)制時，常采用ECL電流開關(guān)。它既有很快的開關(guān)速度，又能保持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，工作時晶體管在放大和截止兩個狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，不進入飽和區(qū)，根除了TTL電路中晶體管由飽和到截止(即由“開”到“關(guān)”)轉(zhuǎn)換時所需釋放超量存儲電荷的“存儲時間”，從根本上消除了限制速度的主要障礙——晶體管的飽和時間，極大地提高了ECL電路的速度，其平均延遲時間達到亞納秒數(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，則既可改善電流脈沖的波形又可再提高開關(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，通過實驗發(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會使Q3基極輸入端信號的動態(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信號微小波動而導(dǎo)致電流開關(guān)誤動作。開關(guān)工作原理如本文1.2所述，以提高抗干擾能力。實驗證明，如果取R1≈10R2時，可使Q3基極輸入的ECL電平信號處于一個適當(dāng)?shù)膭討B(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基極的輸入信號能正常控制激光器LD的驅(qū)動電流。
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，實驗結(jié)果測得Q3基極電壓升高而工作于放大區(qū)。當(dāng)在MC10H124的信號輸入端⑤腳加上數(shù)據(jù)信號時，測得Q3和Q1基極的信號如下，Vb3：-0.85V～-1.60V；Vb1：-2.20V～-3.00V，而Q4基極的參考電壓VBB＝-1.3V，介于Vb3的動態(tài)范圍內(nèi)，測得Q2的基極電壓約為-2.60V，也處于Vb1的動態(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)有一個適當(dāng)?shù)幕夭铍妷汉头€(wěn)定的開關(guān)閥值電壓VBB，則有利于提高系統(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。
參考文獻
1 顧畹儀,李國瑞.光纖通信系統(tǒng)[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003.7
2 朱正涌.半導(dǎo)體集成電路[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，2001.1
3 王志功.光纖通信集成電路設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2003.6
4 張明德，孫小菡.光纖通信原理與系統(tǒng)[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，1998.10