1.152 Mbps速率的红外通信驱动电路设计

刘正翔

(福州职业技术学院 机器人学院，福州 350108)

0 引言

红外通信是将红外光作为传递信息的载体，将二进制数字(基带)信号调制成某个频段的脉冲信号，并控制红外发射二极管的通断来发射红外光脉冲信号.接收端通过光电二极管将红外光信号转成电信号，并经过放大、解调等处理还原二进制信号.由于红外装置的低成本、低功耗等优点，现在几乎所有的家用音视频设备遥控均通过红外通信方式进行控制[1].目前，红外数据协会IrDA发布了红外通信标准，对应4种通信速率[2]，其中MIR支持0.576 Mbps和1.152 Mbps速率传输.本文研究MIR中1.152 Mbps速率在红外通信中的传输，在大于该速率时，受限于发射管半导体PN结辐射红外光的响应时间，其“熄灭”延迟特性明显，即红外光在该速率发射时无法完全“熄灭”，端电压无法快速降低至零，因此，提升红外光通信系统的传输速率仍有一定困难.

本文研究1.152 Mbps红外通信的驱动电路改进，从发射管内部PN结载流子运动分析，对传统驱动电路进行改进，并设计红外接收电路，搭建红外通信系统进行实验分析.

1 红外发射速率受限原因分析

IRED通常是由红外辐射效率高的砷化镓GaAs制成二极管PN结[3]，如图1所示，当使用三极管驱动时，随着基极输入脉冲的频率增高，会出现IRED还未完全“熄灭”，下一周期高电平已到来，进入下一次“亮”的过程.即：其端电压还未下降至低电平，又立即上升为高电平，这将直接导致红外发射信号的“1”和“0”变得“模糊”，进而严重影响信息传输可靠性.

图1 输入频率增大与发射频率受限分析说明图

从载流子运动角度来分析，即当IRED两端附加电压时，根据肖克莱(W.Shockley)的PN结理论，外加正偏电压时，结电容变大，使得存储的载流子增多.当外加电压突然消失，结电容无法瞬间释放载流子，导致载流子依旧微弱复合，发出弱光[4].要解决该问题，需要在正偏电压消失的瞬间，尽可能清除剩余载流子，使得结电容及时“放电”，其端电压即可快速降为零.

2 红外发射驱动电路设计

本文设计在IRED外加正偏电压消失的瞬间，使其接入一个回路，并引到接地，从而最大限度使得结电容释放载流子.具体电路如图2所示，由IRED红外发射电路及载流子清除电路组成.IRED红外发射电路由N沟道场效应管Q1和IRED发射管组成，载流子清除电路由P沟道场效应管Q2和Q3组成载流子释放回路.当输入高脉冲，开启Q1，IRED管发射红外光，此时Q2、Q3关闭，不影响IRED发射红外光.当输入低脉冲，Q1关闭，Q2、Q3开启，使得IRED接入由“3.3 V—Q2—IRED—Q3—GND”组成的接地回路，结电容中的载流子将被清除.

图2 IRED高速驱动电路

图3 红外发射管驱动电路实物图

二极管D1用于当低脉冲时短路C5，使得Q1的GS端寄生电容更快放电.由于载流子清除电路对响应时间要求较为严格，因此每个元器件参数的筛选均需要严格达到响应时间的要求.本设计选择的N沟道场效应管Q1是2N7002，最大开关响应时间为25 ns；所选P沟道场效应管Q2是TP0610K，最大开关响应时间55 ns，即所选的2个MOS管开关频率至少可达到10 MHz以上，满足MIR通信的1.152 Mbps速率.

驱动红外发射管的电源为+5 V，但考虑到PN结反向电压不可过高，因此载流子清除电路的电源设定为3.3 V.当载流子清除电路开启，IRED反向电压约0.66 V，不会对IRED正常工作造成影响.

3 红外接收电路设计

红外接收电路目前比较成熟[5]，本设计采用高速、高灵敏度光电二极管BPX65接收红外信号，其能检测的上升下降时间典型值达10 ns，满足信号接收实验要求；采用超低噪声、高精度单片运算放大器OPA37GP芯片，其典型带宽达到63 MHz，满足信号接收实验要求.选用以上芯片设计如图4所示的PIN接收电路.

图4 BPX65接收电路原理图

图5 BPX65接收电路实物图

4 实验与分析

4.1 实验装置

实验装置如图6所示，输入脉冲信号源由函数信号发生器(型号：安泰信ATF20F)产生，最高可产生20 MHz信号(也可使用STM32开发板GPIO引脚提供脉冲波形)；由于实验需要同时用到2个电压，因此使用STM32开发板上的5 V和3.3 V电压.示波器选用优利德UTD2102CM，其带宽达100 MHz带宽、采样率达1 G/s.以上实验设备满足本实验要求.

图6 实验装置(方案)示意图

4.2 传输速率与发射频率的换算

根据IrDA规范要求[6]，传输速率为1.152 Mbps时，使用为1/4比特位宽调制，即发送“0”时，占NRZ码1/4宽度的高电平；发送“1”时，全低电平.例如发送01101010100的NRZ信号，则对应的1.152 Mbps调制信号如图7所示.

图7 1.152 Mbps调制码元图

通过分析图7得知，红外二极管的最大发射频率为当NRZ码全“0”时，1.152 Mbps调制信号频率为1.152 MHz的方波脉冲，占空比为1∶3.即，若以1.152 MHz、半占空比的方波脉冲能可靠发射，则IrDA规范的1.152 Mbps也可满足要求.因此本实验采用信号源产生频率为1.152 MHz的方波信号，方波高电平驱动场效应管Q1开启，控制IRED发射红外光.低电平关闭Q1，开启Q2、Q3，开启载流子清除工作.

4.3 实验数据分析4.3.1 仿真与驱动电路测试

根据上述第1小节理论分析，关闭(OFF)载流子清除电路时，IRED端电压无法降为零，即结电容电压无法降为零，也就无法完全“熄灭”.在开启(ON)载流子清除电路时，端电压快速下降为零，电路仿真结果如图8所示.

图8 驱动电路仿真波形对比(Simulation)

经实测电路验证，采用2N7002通断开关驱动IRED发射红外信号，开关频率为1.152 MHz，其端电压波形如图9中的墨绿色曲线所示.

图9 载流子清除电路关闭的端电压波形(Measured)

关闭载流子清除电路时，发射二极管端电压仅下降了约0.6 V，即又上升为高电平(实测约2.85 V).使用载流子清除电路后(红色曲线)，端电压则快速从高电平降为零，下降时间小于50 ns，达到了“熄灭”的效果.

4.3.2 接收信号分析

接收实验对IrDA规范中的MIR速率(0.576 Mbps和1.152 Mbps)分别做了测试.使用的红外发射二极管为欧司朗LD274，发射功率较低(165 mW)，因此通信距离设定为约4 cm(周边光线暗环境下)，通过实验测试在0.576 Mbps和1.152 Mbps速率下的收发波形如图10、图11所示.

图10 速率为0.576 Mbps的收发波形(Measured)

图11 速率为1.152 Mbps的收发波形(Measured)

图10和图11波形中的紫色曲线为发送端波形，棕褐色曲线为经过BPX65接收并由OPA37放大后的波形.由图可见，该两个速率传输时，接收信号略有波纹，但均能完好地传输红外信号，因此本设计驱动路满足IrDA规范中的MIR速率较高速传输.

5 结语

本文从载流子运动角度分析问题，对红外发射二极管在IrDA规范中的MIR速率下的“熄灭”延迟特性问题进行分析，对传统红外发射电路进行改进，并在MIR速率下进行测试.实验通过输入1.152 Mbps的方波信号，对比载流子清除电路开启和关闭下的工作状态.结果表明，本文设计的载流子清除电路，在IRED附加正偏电压，载流子清除电路不会影响发射红外光；当正偏电压消失，IRED端电压状态得到了较大改善，在正占空比几乎不变的情况下，端电压下降时间小于50 ns，一定程度上保证了红外发射二极管的可靠通信.