ZHCACY7 august 2023 LMH32401 , LMH32404 , LMH34400 , LMH6629 , OPA2673 , OPA2675 , OPA855 , OPA856 , OPA858 , OPA859 , THS6222 , THS6232
LiFi 是一種基于無(wú)線(xiàn)通信方法的新興技術(shù)：使用可見(jiàn)光傳輸數(shù)據(jù)。自 2011 年 LiFi 首次亮相以來(lái)，LiFi（也以光保真聞名）成為實(shí)現(xiàn)雙向高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)闹饕馔ㄐ偶夹g(shù)。LiFi 通常通過(guò)主要設(shè)計(jì)用于照亮空間的現(xiàn)有燈具或發(fā)光源實(shí)現(xiàn)。其高級(jí)概念是利用 LED 燈泡發(fā)出的可見(jiàn)光，以人類(lèi)視覺(jué)無(wú)法感知的頻率調(diào)制可見(jiàn)光，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。由于提供的電源已經(jīng)使光源閃爍 的速度超過(guò)人的肉眼可以看到的速度，因此思路就是特意使光源閃爍 來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。用設(shè)定的調(diào)制方案替換與電源相關(guān)的頻率可將（潛在的）任何標(biāo)準(zhǔn)光源變?yōu)閿?shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)。將燈具改裝成高密度數(shù)據(jù)收發(fā)器的想法已經(jīng)吸引了多個(gè)行業(yè)（包括工業(yè)、醫(yī)療、航天、國(guó)防和通信）的關(guān)注。一些制造商正在考慮將系統(tǒng)微型化，以便在個(gè)人電子設(shè)備上運(yùn)行。無(wú)論尺寸或最終應(yīng)用如何，所需的信號(hào)鏈元件都是一致的。
電子硬件可分為兩種不同的功能：發(fā)送器和接收器電路。圖 1 展示了 LiFi 實(shí)現(xiàn)方案中信號(hào)鏈的基本組成部分。
RX 路徑
TI 提供了許多已用于各種 TX/RX 應(yīng)用的高速放大器，專(zhuān)為 LiFi 的發(fā)送和接收信號(hào)鏈而設(shè)計(jì)。
LiFI 接收路徑的關(guān)鍵元件包括光電二極管、跨阻放大器 (TIA)、全差分放大器 (FDA)（可選）和 ADC。各種實(shí)現(xiàn)或調(diào)制方案可能需要在 RX/TX 路徑上使用特定濾波器。
與光探測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 電路類(lèi)似，LiFi RX 電路也受益于 TI OPA85x 系列運(yùn)算放大器的廣泛適用性和功能。OPA855 和 OPA858 等跨阻放大器是高增益帶寬積 (GBP) 器件，能夠從光電二極管接收小信號(hào)并向 FDA 或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供放大信號(hào)。表 1 比較了 TI 專(zhuān)為跨阻應(yīng)用設(shè)計(jì)的高速運(yùn)算放大器，這種放大器提供各種輸入類(lèi)型、帶寬和噪聲，以適合各種應(yīng)用。如果設(shè)計(jì)非常注重尺寸和集成，則表 2 中列出了 TI 的高速集成 TIA，它們提供了具有附加功能的單芯片解決方案，但缺點(diǎn)是配置較少。
圖 1 LiFi 信號(hào)鏈方框圖在設(shè)計(jì)具有跨阻放大器的電路時(shí)，需要注意一些重要參數(shù)：輸入電容、跨阻增益（由 RF 設(shè)定）和 GBP。由兩部分組成的 E2E? 設(shè)計(jì)支持博客詳細(xì)介紹了跨阻電路設(shè)計(jì)的方法和解釋。第二部分包括 TIA 計(jì)算器工具，用于處理與各種 TIA 參數(shù)相關(guān)的數(shù)字，包括它們?nèi)绾蜗嗷ビ绊?。如需深入分析，?qǐng)參閱高速放大器跨阻注意事項(xiàng) 應(yīng)用手冊(cè)。
除了 TIA，通常還需要在 TIA 之后使用一個(gè)全差分放大器，將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)差分輸入 ADC。一個(gè)示例是光電二極管連接到 OPA859 跨阻放大器，后跟 THS4541 全差分放大器，用以創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)差分 ADC 的完整模擬前端。有關(guān)德州儀器 (TI) 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品和解決方案的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) ADC 產(chǎn)品頁(yè)面。通過(guò)在接收路徑上放置 TIA，利用 TI 在汽車(chē)激光雷達(dá)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)可提供經(jīng)驗(yàn)證的 TIA 系列，在 RX 信號(hào)鏈中與光電二極管結(jié)合使用。
| 器件型號(hào) | OPA855 | OPA856 | OPA858 | OPA859 | LMH6629 |
|---|---|---|---|---|---|
| 輸入類(lèi)型 | 雙極 | 雙極 | FET | FET | 雙極 |
| VCC 最小值 (V) | 3.3 | 3.3 | 3.3 | 3.3 | 2.7 |
| VCC 最大值 (V) | 5.25 | 5.25 | 5.25 | 5.25 | 5.5 |
| Iq 25C 最大值 (mA) | 19.5 | 19.5 | 24 | 24 | 16.7 |
| GBW/BW (MHz) | 8000 | 1200 | 5500 | 900 | 4000 |
| 大信號(hào)帶寬 (MHz) | 850 | 110 | 600 | 400 | 390 |
| 最小穩(wěn)定增益 (V/V) | 7 | 1 | 7 | 1 | 4 |
| 轉(zhuǎn)換速率 (V/us) | 2750 | 350 | 2000 | 1150 | 1600 |
| 噪聲電壓 (nV/√Hz) | 0.98 | 0.9 | 2.5 | 3.3 | 0.69 |
| 關(guān)斷/斷電 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 偏置電流（典型值）(uA) | -12 | -15 | +/- 0.4 | +/- 0.5 | -15 |
| Vos（最大值）(mV) | +/-0.2 | +/-0.2 | +/- 0.8 | +/- 0.9 | 4.1 |
| 偏移電壓漂移 (uV/C) | 0.5 | 0.7 | +/- 2 | -2 | +/- 150 |
| 封裝選項(xiàng) | WSON (DSG) | 8 (2mm × 2mm) |
WSON (DSG) | 8 (2mm x 2mm) |
WSON (DSG) | 8 (2mm x 2mm) |
WSON (DSG) | 8 (2mm x 2mm) |
WSON (NGQ) | 8 (3mm x 3mm) SOT-23 (DBV) | 5 (2.9mm x 2.8mm)[FJ1] |
| 器件型號(hào) | LMH32401 | LMH32404 | LMH34400 |
|---|---|---|---|
| 總增益 | 2/20kΩ | 20kΩ | 40kΩ |
| TIA 增益級(jí) | 1/10kΩ | 10kΩ | 12.2kΩ |
| 每通道 Iq (mA) | 30 | 28 | 20 |
| GBW/BW (MHz) | 450/275 | 350 | 240 |
| 輸入 (pA/√Hz) | 9.2/2.1 | 2.3 | 2.4 |
| 線(xiàn)性輸入電流范圍 (uA) | 0 至 700/0 至 72 | 0 至 72 | 0 至 ~30 |
| 集成電流鉗位 | 100mA 10mA 時(shí)的恢復(fù)時(shí)間為 4ns |
100mA 10mA 時(shí)的恢復(fù)時(shí)間為 12ns |
100mA 10mA 時(shí)的恢復(fù)時(shí)間為 18ns |
| 關(guān)斷電流 (mA) | 3.3 | 0.6 | 1.5 |
| 環(huán)境光消除 (mA) | 3 | 2.5 | 3 |
| 支持輸出多路復(fù)用 | 是 | 是 | 是 |
| 通道計(jì)數(shù) | 單通道 | 四通道 | 單通道 |
| 封裝選項(xiàng) | VQFN (RGT) | 16 (3mm x 3mm) | VQFN (RGT) | 28 (5mm x 4mm) | SOT-5X3 (DRL) | 6 (1.6mm x 1.6mm) |
TX 路徑
LiFI 發(fā)射路徑的關(guān)鍵元件包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、調(diào)制電路、直流偏置（可選/選擇如何實(shí)現(xiàn)）、激光/LED 驅(qū)動(dòng)器和激光二極管/光源。與 RX 一樣，TX 信號(hào)鏈可能也需要濾波器或附加元件才能運(yùn)行。
激光和 LED 驅(qū)動(dòng)器是需要進(jìn)行高帶寬操作和調(diào)制、具有高輸出電流能力并可以驅(qū)動(dòng) LED 和激光二極管負(fù)載的元件。TI 的電流反饋放大器 (CFA) 和差分驅(qū)動(dòng)器 IC 可驅(qū)動(dòng) LiFi 發(fā)射路徑中的光源。OPA2675 雙通道 CFA 是寬帶高輸出電流 IC；該器件的輸出電流為 ±100 0mA。由差分輸出放大器驅(qū)動(dòng)的 LED 的使用情況在 VLC/LiFi 的 G.9991 ITU 標(biāo)準(zhǔn)附錄 I 中有記錄。LED 驅(qū)動(dòng)器的選擇取決于通道數(shù)、調(diào)制 LED 所需的輸出驅(qū)動(dòng)以及調(diào)制方案。事實(shí)證明，LiFi 的發(fā)射電路與使用曼徹斯特編碼等方法調(diào)制 LED 開(kāi)/關(guān)的目錄放大器和晶體管一樣簡(jiǎn)單。雖然這種比特率較低的方法對(duì)小數(shù)據(jù)吞吐量情況有效，但是正交頻分多路復(fù)用 (OFDM) 信令的現(xiàn)行方法實(shí)現(xiàn)了高得多的數(shù)據(jù)吞吐量。根據(jù)模擬前端 (AFE) 元件和調(diào)制方案，LiFi 的 OFDM 信令可在數(shù)據(jù)吞吐量方面達(dá)到與 WiFi 相當(dāng)?shù)乃?。LiFi 的發(fā)射路徑通常需要考量效率和光源，例如 LED 和激光二極管的調(diào)制與功耗和電流要求。與專(zhuān)用 LED 驅(qū)動(dòng)器或激光驅(qū)動(dòng)器 IC 不同，TI 的 CFA 和線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列已用于 PLC、DSL、WiFi 和 LiFi 之間共享的調(diào)制技術(shù)。有許多 TI 資源介紹了如何在有線(xiàn)通信系統(tǒng)中使用 CFA 和線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器器件，在有線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用于驗(yàn)證電路性能的性能指標(biāo)包括：多頻功率比 (MTPR) 和帶外抑制 (OOBS)。雖然通常分別與 DSL 和 PLC 相關(guān)，但 LiFi 的 MAC 和 PHY 層與有線(xiàn) PHY 系統(tǒng)的相似之處為在 LiFi TX 中采用 TI CFA 創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。對(duì)于 LiFI 設(shè)計(jì)，誤碼率 (BER) 和誤差矢量幅度 (EVM) 已為更廣泛的無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域所熟知。MTPR 和 OOBS 指標(biāo)通常僅用于有線(xiàn)系統(tǒng)。鑒于這種區(qū)別，本文對(duì)這些有線(xiàn)指標(biāo)暫不予考慮，但由于 LiFi 系統(tǒng)的介質(zhì)（空氣）近似于光纖布線(xiàn)，因此可以在適用時(shí)考慮有線(xiàn)指標(biāo)。TI 放大器最初用于 DSL 和 PLC，其數(shù)據(jù)表展示了其在最初有線(xiàn)應(yīng)用中的相關(guān)性能。在 LiFi 中采用高速放大器可能需要知識(shí)淵博的 TI 工程師來(lái)協(xié)助進(jìn)行設(shè)計(jì)：TI 的 E2E? 設(shè)計(jì)支持論壇提供產(chǎn)品系列和特定于 IC 的資源以及論壇帖子，與調(diào)查工程師的知識(shí)水平相當(dāng)。TI 在模擬和數(shù)字方面擁有專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，尤其是有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)性能指標(biāo)，可幫助您解決在采用 TI CFA 和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品時(shí)遇到的問(wèn)題。
通過(guò)使用有線(xiàn)通信指標(biāo) MTPR 和 OOBS 來(lái)表征 OPA2675 等 TI CFA，為測(cè)試 LiFi TX 應(yīng)用中 TI 高速放大器的功能提供了一種可靠且可實(shí)現(xiàn)的方法。雖然仿真和計(jì)算允許測(cè)試 BER 和 EVM 的調(diào)制方案，但這些指標(biāo)在考察 LiFi AFE 的模擬器件時(shí)用處不大。對(duì) IC 進(jìn)行評(píng)估無(wú)需在分析 IC 性能之前全面開(kāi)發(fā) LiFi 設(shè)置。使用 MTPR 和 OOBS 對(duì)用于 LiFi 的模擬放大器進(jìn)行鑒定，對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)受益無(wú)窮。
| 器件型號(hào) | OPA2675 | THS6222 |
|---|---|---|
| 類(lèi)型 | 線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器 | 線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器 |
| 通道數(shù)量 | 2 | 1 |
| VCC 最小值 (V) | 4.5 | 8 |
| VCC 最大值 (V) | 13 | 32 |
| Iq 25C 最大值 (mA) | 16.5 | 19.5 |
| GBW/BW (MHz) | 730 | 250 |
| 大信號(hào)帶寬 (MHz) | 230 | 190 |
| 轉(zhuǎn)換速率 (V/us) | 3,000 | 5,500 |
| 輸出拉電流（典型值）(mA) | 1000 | 338 |
| 噪聲電壓 (nV/√Hz) | 2.4 | 2.5 |
| 關(guān)斷 | 是 | 是 |
| 偏置電流（典型值）(uA) | 25 | 1 |
| Vos（最大值）(mV) | 5 | 12 |
| 偏移電壓漂移 (uV/C) | 3 | 40 |
| 封裝選項(xiàng) | VQFN | 16 (3mm x 3mm) | VQFN | 16 (3mm x 3mm) |
隨著 LiFi 不斷成熟并逐步成為面向消費(fèi)者和行業(yè)的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)可考慮使用德州儀器 (TI) 的高速放大器。許多 TI 器件采用不同的封裝和通道數(shù)量；有些器件已采用裸片封裝，可直接將引線(xiàn)鍵合到光電二極管。TI 的產(chǎn)品系列和產(chǎn)品支持可為如何在下一個(gè)高安全性通信系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)或射頻干擾敏感型環(huán)境中采用 LiFi 提供指導(dǎo)和協(xié)助。