本發(fā)明涉及一種可見光通信。特別是涉及一種采用預(yù)加重電路以及阻抗衰減的用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電子科技的高速發(fā)展，智能設(shè)備的用戶總數(shù)和普及率逐年大幅度增加，隨之增長的是人們對(duì)高速寬帶多媒體通信的需求。此時(shí)傳統(tǒng)射頻通信出現(xiàn)頻譜資源緊張的態(tài)勢(shì)，加之電磁輻射干擾等因素的局限,以及人們?nèi)找嬷匾曒椛鋵?duì)身體健康的影響，促使產(chǎn)生了一種能夠拓寬頻譜的資源，通過綠色節(jié)能的LED燈為傳輸基站的通信方式——可見光通信。

大功率LED由于其效率高，壽命長，體積小，在未來的照明系統(tǒng)中具有重要作用。此外，大功率LED在室內(nèi)照明，車輛照明，交通信號(hào)和指示面板等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與白熾燈和熒光燈相比，LED由于其較高的調(diào)制帶寬從而更適合用來通信。因此，LED可以同時(shí)應(yīng)用于照明和通信?；谝陨显颍琇ED在未來具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，并且有許多科研人員進(jìn)行基于LED的通信網(wǎng)絡(luò)研究。此外，由于其高保密性、低成本、與傳統(tǒng)微波通信接口相兼容等特點(diǎn)，發(fā)展室內(nèi)照明的VLC技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。

發(fā)展VLC通信系統(tǒng)將面臨三大挑戰(zhàn)：成本，效率，傳輸速率。需要在這三個(gè)因素之間進(jìn)行折中考慮。為了開發(fā)高速VLC系統(tǒng)，帶有Bias-T的LED驅(qū)動(dòng)被應(yīng)用許多研究當(dāng)中。除了將DC信號(hào)與AC信號(hào)相結(jié)合的Bias-T模塊，還需要額外的用于傳輸數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)。這通常是用一個(gè)功率放大器來實(shí)現(xiàn)。這就導(dǎo)致了低效率、低集成度、高成本等問題。這就限制了室內(nèi)VLC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

白光LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明中，熒光粉LED具有低成本、高可靠性、高發(fā)光強(qiáng)度、生產(chǎn)技術(shù)成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在市場(chǎng)上具有更大的競(jìng)爭力。然而，熒光粉LED的較長響應(yīng)時(shí)間使得其調(diào)制帶寬通常小于2MHz。這將成為VLC高速通訊的設(shè)計(jì)瓶頸。因此，本設(shè)計(jì)提出了一種采用線性電源調(diào)制和阻抗衰減技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路，這將大大提高VLC系統(tǒng)的帶寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠大大提高VLC系統(tǒng)帶寬的用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，包括預(yù)加重電路、控制電路、第一MOS管和第二MOS管，所述控制電路的一個(gè)電源信號(hào)輸入端連接直流偏置信號(hào)輸入，外部電源輸入端連接外部供電電源，信號(hào)輸入端通過所述預(yù)加重電路連接數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，所述控制電路的電源輸出負(fù)極通過第一電阻接地，電源輸出正極連接所述第一MOS管的柵極，第一MOS管的源極通過第一電阻接地，漏極連接所述第二MOS管的漏極，第二MOS管的柵極連接外部供電電源，源極連接發(fā)光二極 管的負(fù)極，所述發(fā)光二極管的正極連接外部供電電源。

所述的預(yù)加重電路包括有第二電阻、第三電阻和第一電容，其中，所述第三電阻和第一電容并聯(lián)連接，并聯(lián)后的輸入端連接數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，并聯(lián)后的輸出端連接所述控制電路的信號(hào)輸入端，該輸出端還通過第二電阻接地。

所述的控制電路包括有電壓加法器和與電壓加法器的輸出端相連的誤差放大器，所述電壓加法器的電源輸入端連接直流偏置信號(hào)輸入，所述電壓加法器的信號(hào)輸入端通過所述預(yù)加重電路連接數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，所述誤差放大器的電源輸出負(fù)極通過第一電阻接地，電源輸出正極連接所述第一MOS管的柵極。

本發(fā)明的用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路，提出了一種采用線性電源調(diào)制和阻抗衰減技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路，這將大大提高VLC系統(tǒng)的帶寬。本發(fā)明將白光LED照明和VLC技術(shù)相結(jié)合。提出的LED驅(qū)動(dòng)采用線性電流調(diào)節(jié)，通過單一電源裝置來控制交流電流信號(hào)和直流電流從而達(dá)到高速度，高效率，高集成度的目的。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、基于新興的可見光通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可見光環(huán)境下的數(shù)據(jù)發(fā)射功能，與傳統(tǒng)的射頻通信技術(shù)相比，具有適用性廣，抗干擾保密性強(qiáng)，無電磁輻射對(duì)人體無害等優(yōu)點(diǎn)，在危險(xiǎn)品存放和特殊場(chǎng)所物品檢測(cè)方面有諸多優(yōu)勢(shì)。

2、采用阻抗衰減技術(shù)來極大地展寬LED驅(qū)動(dòng)電路的帶寬。

3、采用一階預(yù)加重電路用來提高由于熒光粉LED過慢的響應(yīng)速度造成的帶寬限制。

4、采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使可見光通信系統(tǒng)芯片化，使用成熟先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝CMOS技術(shù)，代替了現(xiàn)有的通過分立元器件的方式搭建的可見光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了VLC系統(tǒng)的高度集成化，減小了系統(tǒng)體積，降低了成本。為可見光通信的芯片行業(yè)注入新的活力。

綜上所述，本發(fā)明提出的基于可見光通信的LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)和實(shí)施方法具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路的電路框圖；

圖2是本發(fā)明中預(yù)加重電路的電路原理圖。

圖中

1：預(yù)加重電路 2：控制電路

21：電壓加法器 22：誤差放大器

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路做出詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明的用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路，包括預(yù)加重電路1、控制電路2、第一MOS管M1和第二MOS管M2，所述控制電路2的一個(gè)電源信號(hào)輸入端連接直流偏置信號(hào)輸入DC，外部電源輸入端連接外部供電電源VDD2，信號(hào)輸入 端通過所述預(yù)加重電路1連接數(shù)據(jù)信號(hào)輸入AC，所述控制電路2的電源輸出負(fù)極通過第一電阻R1接地，電源輸出正極連接所述第一MOS管M1的柵極，第一MOS管M1的源極通過第一電阻R1接地，漏極連接所述第二MOS管M2的漏極，第二MOS管M2的柵極連接外部供電電源VDD，源極連接發(fā)光二極管LED的負(fù)極，所述發(fā)光二極管LED的正極連接外部供電電源VDD1。

本發(fā)明中第一MOS管M1和第二MOS管M2構(gòu)成功率輸出部分：該部分主要目的是提供給發(fā)光二極管LED大功率電流，通過采用阻抗衰減技術(shù)從而擴(kuò)展電路帶寬。

如圖1所示，所述的控制電路2包括有電壓加法器21和與電壓加法器21的輸出端相連的誤差放大器22，所述電壓加法器21的電源輸入端連接直流偏置信號(hào)輸入DC，所述電壓加法器21的信號(hào)輸入端通過所述預(yù)加重電路1連接數(shù)據(jù)信號(hào)輸入AC，所述誤差放大器22的電源輸出負(fù)極通過第一電阻R1接地，電源輸出正極連接所述第一MOS管M1的柵極。

如圖2所示，所述的預(yù)加重電路1包括有第二電阻R2、第三電阻R3和第一電容C1，其中，所述第三電阻R3和第一電容C1并聯(lián)連接，并聯(lián)后的輸入端連接數(shù)據(jù)信號(hào)輸入AC，并聯(lián)后的輸出端連接所述控制電路2的信號(hào)輸入端，該輸出端還通過第二電阻R2接地。

預(yù)加重電路1為了解決熒光粉LED的較慢的響應(yīng)速度，采用預(yù)均衡技術(shù)補(bǔ)償熒光粉LED的帶寬限制。

控制電路2目的是將直流偏置信號(hào)輸入DC和數(shù)據(jù)信號(hào)輸入AC通過單一的功率管結(jié)合起來。這樣不僅能夠提供較大的直流工作電流而且能夠提供較大帶寬實(shí)現(xiàn)高速率通信。

如圖1所示，本發(fā)明的用于可見光通信的高速率高轉(zhuǎn)換效率的LED驅(qū)動(dòng)電路，將控制電路2與第一MOS管M1和用于電流檢測(cè)的第一電阻R1相連，驅(qū)動(dòng)電路由閉環(huán)控制，這樣可以產(chǎn)生比較精確的電流I_led。Vcs是驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓，這樣驅(qū)動(dòng)電流就等于Vcs/R1。因?yàn)镮_led和V_cs的一階關(guān)系，此電路的線性電流調(diào)制目的就達(dá)到了。同時(shí)，此線性驅(qū)動(dòng)電路通過第一MOS管M1實(shí)現(xiàn)了DC和AC信號(hào)的控制。這時(shí)，控制電路2的輸出電壓Vcs就等于DC信號(hào)加上AC信號(hào)。換句話說，發(fā)光二極管LED驅(qū)動(dòng)電流I_led包含了照明和通信信號(hào)。這就使得發(fā)光二極管LED驅(qū)動(dòng)電路將VLC技術(shù)與照明成功結(jié)合。

功率輸出級(jí)的主要目的就是提供給發(fā)光二極管LED大功率電流，包含功率MOSFET和電流檢測(cè)電阻。

但是大功率的電流引起了MOSFET柵極較大的等效電容。這樣會(huì)引起LED驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路帶寬的降低，并且會(huì)使控制電路2的功耗增加因?yàn)楦嗟碾娏鞅挥脕眚?qū)動(dòng)功率MOSFET。而且會(huì)造成系統(tǒng)的傳輸速率降低，效率降低和線性度惡化。本發(fā)明的阻抗衰減技術(shù)能夠降低功率MOSFET的柵極等效電容。

如圖1所示，由第一MOS管M1和第二MOS管M2組成的功率輸出級(jí)包含阻抗衰減技術(shù)的電路。電路中會(huì)存在較大的功率管柵極等效電容，這來自于小信號(hào)輸入電容C_iss的米勒效應(yīng)的影響。米勒電容的值取決于功率管漏級(jí)的輸出阻抗。但是第一MOS管M1的漏級(jí)輸出電阻因?yàn)榇?lián)的發(fā)光二極管LED增大了。這將反過來增大第一MOS管M1柵極的等效電容。這樣驅(qū)動(dòng)電路的帶寬被過大的等效電容所限制。

為了解決因?yàn)榇?lián)在第二MOS管M2漏級(jí)的發(fā)光二極管LED而引起的過大等效電容， 本設(shè)計(jì)引入了阻抗衰減技術(shù)。由于引入了共源共柵第二MOS管M2，第一MOS管M1的輸出阻抗被降低了1+g_mr_o倍。第一MOS管M1柵極等效電容減小從而電路帶寬擴(kuò)大。本發(fā)明通過引入阻抗衰減技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高帶寬、高驅(qū)動(dòng)電流和高效率的驅(qū)動(dòng)。

控制電路2的目的是將照明用DC信號(hào)和通信用AC信號(hào)通過單一的功率器件結(jié)合起來。控制電路2不僅能夠提供較大直流電流而且能夠提供較大帶寬從而實(shí)現(xiàn)高速率通信。控制電路2包括誤差放大器和電壓加法器。

誤差放大器：為實(shí)現(xiàn)高增益，高驅(qū)動(dòng)能力和高線性度的目的，該控制電路2的誤差放大器由具有AB類輸出級(jí)的折疊式共源共柵放大器實(shí)現(xiàn)。

電壓加法器：電壓加法器的目的是將直流發(fā)光信號(hào)VLD與交流信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)結(jié)合起來，并且提供給誤差放大器合適的信號(hào)。

盡管LED驅(qū)動(dòng)的電帶寬可以通過阻抗衰減技術(shù)得到提高，但是光帶寬受限于熒光粉LED的較慢的響應(yīng)速度。為了解決這個(gè)問題，預(yù)加重電路1用來補(bǔ)償因?yàn)闊晒夥跮ED造成的帶寬限制。如圖2所示，預(yù)加重電路1由一級(jí)電路組成：第二電阻R2，第一電容C1，第三電阻R3，傳輸函數(shù)如下。本發(fā)明的重點(diǎn)是將零點(diǎn)W1放置于LED的-3dB帶寬頻率上，極點(diǎn)W2放置于通信系統(tǒng)想要達(dá)到的帶寬頻率上。所以預(yù)加重電路可以補(bǔ)償由于熒光粉LED帶來的帶寬限制。