ECL电源开关在数字光发射机调制电路中的应用研究

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<VBB时，Q2管导通，Q1管截止，电流流经激光器。从电流导通的情况看，相当于一个电流开关，即电流型开关逻辑电路。其射极耦合端接高阻抗的恒流源，构成深度负反馈，啬了ECL电路的输入阻抗，使晶体管可稳定地工作在放大区。为了使输入信号不受电源波动的影响，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。

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