ECL电源开关在数字光发射机调制电路中的应用研究

     在光纤通信系统中，信息由LED或LD发出的光波所携带，光波就是载波。 
     把信息加载到光波上的过程就是调制。光调制方式按调制信号的形式可分为模拟信号调制和数字信号调制。目前，数字调制是光纤通信的主要调制方式，也就是通常的PCM编码调制，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中断时噪声及色散的影响不积累，因此可实现大容量、长距离传输。

       1 光发射机 
        简单地讲，光传输系统中一个基本的光发射机主要包括光发射器件及其驱动电路。光发射器件有发光二级管（LED）、激光二级管（LD）或激光调制器（LM）；驱动电路为系统光源提供合适的“开”、“关”电流。

  1.1 数字光发射机基本结构 
       在数字光纤通信中，激光发射机的主要组成部分如图1所示。线路编码的作用是将数字信号转换成适合在光纤中传输的码型。调制电路完成数字信号的电-光转换，将光信号加载到光源的发射光束上，即光调制。而光调制的方式有三种：直接强度调制、间接强度调制和相干调制。光纤通信中常采用直接强度调制（适用于半导体激光器和发光二极管），即通过直接控制发光二极管（LED）或激光二术管（LD）的注入电流产生所需的光数字信号，改变LD或LED的注入电流调整其输出光功率，实现光强度调制。

          理论上讲，LED和LD都是电流控制的光发射器件，其中最重要的性能取决于它们的I-P特性，因此最直接的设计方法就是把驱动器设计成受输入信号控制的电流源，并且必须提供具有规定强度和波形的电流。实际应用中将双极性晶体管或场效应管（FET）作为电流输出器件与光发射器件连接，形成电流驱动器。常用的有单端电流驱动器和射极耦合电流驱动器。单端电流驱动器的速度受晶体管和LED或LD的截止过程的影响，因而只能应用在低比特率的场合。高比特率的电流驱动器利用ECL（射极耦合逻辑）电路来设计，即数字调制电路中常用的射极耦合电流开关，其基本电路形式如图2所示。

 1.2 数字调制电路的基本工作原理 
         图2所示的射极耦合电流开关实际上是一个一边为固定输入VBB,另一边为信号输入端的射极耦合差分级，其工作原理对单输入双端输出的差分放大器非常相似，但它只对信号起传递作用。其工作原理是：当Vin>VBB时，Q1管导通，Q2管截卡，电流全部流经输入管；当Vin电源波动的影响，常采用负电源（VEE=-5.2V）供电，而对管的集电极直接对地输出（VCC=0），种接法又极大地提高了电路的速度，改善了交流性能。
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          2 ECL电流开关的应用 
          目前，笔者在一个高速数字系统中应用了ECL电流驱动器其基本原理如图3示。其中Q1、Q2、和Q5构成基本的调制电路，Q3和Q4实现电平移位，集成器件MC10H124完成信号的电平转换（TTL→ECL）。MC10H124引脚功能如图3所示，使用时需注意在ECL电平输出脚（如图中②、④脚）要通过50Ω电阻外接-2V电压，未用的输出脚通过50Ω电阻接地。从②或④脚输出ECL电平信号，第⑥脚接公共选通电压（这里接+4V电压）。

         2.1 ECL电路的主要特点 
         对激光器进行高速脉冲调制时，常采用ECL电流开关。它既有很快的开关速度，又能保护良好的电流脉冲波形。从电路结构上看，ECL属于非饱和型数字逻辑，工作时晶体行之有效放大和截止两上状态间转换，不进入饱和区，根除了TTL电路中晶体管由饱和到截卡（即由“开”到“关”）转换时所需释放超量存储电荷的“存储时间”，从根本上消除了限制速度的主要障碍——晶体管的饱和时间，极大地提高了ECL电路的速度，其平均延尺时间达到来纳秒数量级。如果图3中采用两级差分电流开关并且双边驱动，则既可改善电流脉冲的波形又可提高开关速度。

                  图3中参考电压VBB作为ECL电路的重要组成部分，通常取在ECL逻辑高、低电平的中心VBB=-1.3V(ECL)的逻辑高电平VOH=-0.8V，低电平VOL=-1.8V，使高、低电平的噪声容限基本相等，电路在全工作温度范围内噪声容限的变化不会太大。VBB常与ECL电路共用负电源，在电阻分压器的基础上，利用二极管和射极跟随器电平移位构成。

2.2 系统测试数据及其抗干扰能力分析

        在图3所示电路中，通过实验发现电路中R1和R2的取值对电路抗干扰能力有重要的影响。在一定范围内，若R2不变，增大R1会使Q3基极输入端信号的动态范围有所增大，即ECL电流开关的回差电压（类似施密特触发器）增大，确保VBB介于该范围内电流开关能正常工作，因此可以减小噪声导致Q3基极输入的ECL信号微小波动而导致电流开关误动作。开关工作原理如本文1.2所述，以提高抗干扰能力。实验证明，如果取R1≈10R2时，可使Q3基极输入的ECL电平信号处于一个适当的动态范围内，ECL电流开关具有较合适的回差电压，而Q4基极的参考电压VBB介于该范围内，则Q3基极的输入信号能正常控制激光器LD的驱动电流。

        如果去掉芯片MC10H124，理论上分析可知，Q3处于截止状态；但当接上电平转换器（MC10H124）后，由于输出脚外接-2V电压，实验结果测得Q3基极电压升高而工作于放大区。当在MC10H124的信号输入端⑤脚加上数据信号时，测得Q3和Q1基极的信号如下，Vh3:-0.85V～-1.60V;Vb1:-2.20V～-3.00V,而Q4基极的参考电压VBB=-1.3V,介于Vb3的动态范围内，测得Q2的基极电压约为-2.60V,也处于Vb1的动态范围内，因此该ECL电流开关能正常工作。

        从上面分析可知，VBB保持稳定是影响ECL电路性能的一个很重要的因素，它决定着电流开关的阀值电压、输出逻辑电平和抗干扰能力。如果由于某种原因造成VBB发生变化，则可能会使输出逻辑混乱，而降低ECL电路的抗干扰能力。因此，只要保持ECL电流开关有一个适当的回差电压和稳定的开关阀值电压VBB，则有利用提高系统的抗干扰能力。特别是电路工作在超高速情况下，这些问题尤为突出。